可控核聚變，離人類還有多遠？

核反應堆是目前人類使用原子核能量的最成熟技術示范，裂變技術已經發展到第四代，當前，各國建造的三代核電算是較為先進的普及型反應堆，還有更先進的第四代反應堆。裂變技術對于人類而言，我們已經掌握了其基本約束條件，實用化進展正在不斷推進，但這并不是核能利用的最高階。核聚變技術被認為原子核能量應用領域的桂冠，雖然氫彈早就被試驗成功，但這是不可控的核聚變技術，如何讓核聚變受到約束和控制是當前核聚變研究領域的方向。

宇宙中，恒星產生的能量來自核聚變反應，以太陽為例，每秒鐘大約有6.5億噸氫變成氦，質量虧損釋放出巨大的能量。在過去50億年內，太陽一直通過這個反應釋放出大量能量。按照氘-氚聚變方程，我們可以在一升海水中提取出大約30毫克氚，相當于燃燒300升左右的汽油，如果是一座百萬千瓦級的核聚變發電站，每年只要消耗300多公斤氚，產生的物質都是清潔的，對環境沒有威脅，不像核裂變反應會產生放射性核素。如果核聚變技術成熟并被大規模推廣，可以滿足未來數十億年人對能源的需求。

核聚變作為宇宙中最普遍的能量利用形式，人類要想突破行星際的限制而進入恒星際空間，核聚變是必不可少的能量源。但核聚變的研制難度很大，要求相對苛刻，熱核聚變產生的等離子體溫度和密度極高，要想讓核聚變反應自持下去，就需要維持這些極高溫等離子體。英國科學家勞遜在1957年就提出了“勞遜條件”，認為等離子體的溫度可達到1億攝氏度，這樣才能實現“得失相當”。因為在這樣的溫度下，參與反應的所有物質都會電離形成等離子體，然后才能利用強磁場對帶電粒子進行約束。

在了解核聚變的約束條件后，工程制造上的問題就來了。雖然我們知道等離子體的溫度極高，但我們對等離子體產生的湍流行為仍然沒有足夠的了解，理論模型的缺失導致我們無法預測超高溫等離子體。其次是磁場約束，核聚變需要強磁場對等離子體進行約束，這就需要大電流，而電流具有熱效應，因此只有超導才能解決這個問題。發展核聚變堆之前，我們還要解決超導線圈的應用，用接近絕對零度的溫度來實現超導，進而產生強大的磁場來約束幾億度的超高溫等離子體。

這樣的工程不僅需要極高的技術含量，還要有龐大的資金支持，國際熱核實驗堆從1985年開始推進，預計花費100億美元。目前，國際上幾個著名的核聚變試驗裝置有望在2050年左右發展出較為成熟的核聚變技術，本世紀末，我們有望用上由核聚變產生的電力。2014年，軍火巨頭洛克希德·馬丁公司稱已經突破了小型核聚變堆技術，有望在未來10年內安裝在軍用船舶上，功率為100兆瓦，讓我們看到了小型核核聚變反應堆被普及的希望。

（作者：謝頓）

發表于 2015-06-19 00:00
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