◎本刊主筆 季天也

不產(chǎn)生放射性廢物、用之不竭的超級能源：核聚變本世紀(jì)將迎來“ 巨 變 ” ？

◎本刊主筆 季天也

2016年12月12日，我國自主研制的熱核聚變核心部件，率先通過了國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，為國際熱核聚變項(xiàng)目立了一大功，并成為新華社權(quán)威媒體評選的2016年度十大能源新聞之一。同時，我國可控核聚變試驗(yàn)也制造出了比太陽中心溫度還要高的氫等離子體，并且穩(wěn)定燃燒了一分多鐘，創(chuàng)了世界紀(jì)錄。從人類走進(jìn)核能大門以來，可控核聚變一直被很多科學(xué)家視為能源界一項(xiàng)登峰造極的“神功大法”。這門“武功”究竟有多厲害？目前人類修煉了幾成？且聽筆者一一道來。

落戶法國的國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）全景

核聚變：能源界的絕世武學(xué)

1932年，英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克開啟了原子核的大門，人類開始逐漸認(rèn)識到原子驚世駭俗的“內(nèi)功”，并想方設(shè)法把它據(jù)為己用。原子核的這股巨力可以通過兩種方式來釋放，一種是鈾、钚等重原子核分裂成幾個輕原子核的裂變反應(yīng)，另一種是幾個輕原子核聚合成一個重原子核的聚變反應(yīng)。1945年，美國送給日本的“小男孩”和“胖子”，讓世人領(lǐng)教了核裂變驚世駭俗的爆發(fā)力和綿延許久的余威。此后，英、法、中等國也不甘示弱，陸續(xù)用原子彈試爆宣示自己也掌握了這門武功。

然而這些國家也發(fā)現(xiàn)，如此神功只用來打殺未免有點(diǎn)兒low（低端），而且沒什么前（錢）途。于是，各國紛紛走上了和平利用核能之路。1954年6月27日，前蘇聯(lián)建成了世界上第一座基于裂變原理的核電站，率先實(shí)現(xiàn)了可控核裂變，成功把剛烈“炸藥”變成了溫和“燃料”。60多年后的今天，全球已經(jīng)有400多臺核裂變反應(yīng)堆在商用電網(wǎng)系統(tǒng)服役，每年為全球貢獻(xiàn)10%左右的電力。

同核裂變一樣，核聚變在世界舞臺上的第一次亮相也是伴隨著強(qiáng)光和巨響：1952年，美國人率先搞出了以氫元素的同位素三兄弟氕（piē）氘（dāo）氚（chuān）中的氘和氚為原料的氫彈，威力比核裂變又高出好幾層樓，邁出了人類修煉聚變神功的第一步。之所以稱為“神功”，是因?yàn)楹司圩円坏┫窳炎円粯訉?shí)現(xiàn)商用發(fā)電，將是顛覆世界的革命性成功，人類在能源利用上很可能再也不用精打細(xì)算了。它有這么幾大好處。

不產(chǎn)生放射性廢物

托卡馬克（Tokamak）磁約束核聚變裝置內(nèi)部全貌

好處一：高能。論核武器的威力，以鈾、钚等重元素為原料的裂變彈，通常為幾百至幾萬噸級TNT炸藥當(dāng)量，而聚變彈則可大至幾千萬噸級TNT當(dāng)量；論能量密度，當(dāng)今裂變原理核電站主流堆型——輕水式反應(yīng)堆所用的濃縮鈾（鈾-235含量為3.5%），每公斤所含的能量為345.6萬兆焦（1兆焦=1000千焦=100萬焦），相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的118倍，而氫元素聚變反應(yīng)的能量密度甩下濃縮鈾幾百條街，高達(dá)每公斤9.45億兆焦，相當(dāng)于只用不到4克氫的聚變，就能達(dá)到1公斤濃縮鈾裂變放出的能量。

好處二：清潔。核裂變所用的鈾-235，反應(yīng)后會分裂成碘-131、銫-137、鍶-90、氙-133、氪-88等核素，這些裂變產(chǎn)物仍然具有放射性，不能隨便亂扔，人們因此為它們準(zhǔn)備了周密的防護(hù)和處理制度（詳見《環(huán)境與生活》雜志《處理好的核廢物輻射小于X光》《中國核燃料循環(huán)執(zhí)行“閉計劃”》等文），來保障人員和環(huán)境不受電離輻射所傷。而聚變采用的氫元素三兄弟都是自然界最小的原子，唯一的聚變產(chǎn)物是第二小的原子氦。雖然反應(yīng)過程中伴隨能量輸出而帶來中子輻射，但聚變產(chǎn)物氦是完全沒有放射性和其他毒性的穩(wěn)定核素，自身安全性很高，沒有必須深埋上萬年的高放射性廢物。此外，氦的化學(xué)性質(zhì)非常慵懶，正常環(huán)境下不和任何物質(zhì)起反應(yīng)，只會以無色無味的氣體形式存在。平時看到那些往上飄的氣球，就是用氦氣充的。

好處三：原料多。修煉聚變神功所需要的主材料氘，儲量只有氫的1/7000，換算到每一升海水中約含有30毫克氘。比例雖小，但總量驚人。海水中所含的氘達(dá)45萬億噸，足夠人類使用上百億年。而且，一升海水所含的氘聚變后就可產(chǎn)生相當(dāng)于300升汽油的熱能。用一句話來形容就是廉價、豐富、好提取。至少到目前，氘都被看作取之不盡用之不竭的原料。

一位技師進(jìn)入核聚變反應(yīng)器內(nèi)部檢查等離子體（即聚變?nèi)剂希┘訜嵯到y(tǒng)

先定個小目標(biāo)：燒出一億度高溫

核聚變好處這般多，但是為啥在核裂變發(fā)電已經(jīng)被人們玩得很溜的今天，無數(shù)“攻城獅”花了五六十年的心血，還是沒讓核聚變實(shí)現(xiàn)可控發(fā)電？原因是反應(yīng)條件太苛刻了。

由于重原子核先天就有不穩(wěn)定的特點(diǎn)，裂變反應(yīng)比較容易發(fā)生。但要讓輕的原子核聚合成重核，情況就完全相反了。原子核都帶正電，互相的排斥力非常巨大，正如將磁鐵相斥的兩極拼在一起那么費(fèi)勁。要想聚合，必須讓它們飛快地動起來，并且能兩兩正撞，這樣就能使原子核在碰撞瞬間的動力大于它們之間的斥力，從而發(fā)生聚合。條件就是極高的溫度。在這種狀態(tài)下，原子的外層電子和原子核分離，并且可以分別自由運(yùn)動，形成等離子體。

宇宙中有一群天然的巨型核聚變反應(yīng)堆，那就是太陽這樣的恒星。在太陽中心，1500萬攝氏度的高溫和2000億個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓下，氫聚變成氦。這樣的反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了46億年，向外發(fā)出了巨大的能量。其中僅有十億分之一左右的能量落到了地球上，就滋養(yǎng)了地球。

在地球上發(fā)生核聚變是十分困難的。由于形成不了太陽那么“變態(tài)”的大氣壓，因此只能通過更高的溫度來彌補(bǔ)。在普通人工所能建造的反應(yīng)器規(guī)模下，氘-氚聚變反應(yīng)的臨界點(diǎn)火溫度為幾千萬到一億攝氏度，氘-氘反應(yīng)的臨界點(diǎn)火溫度更是一億至數(shù)億攝氏度，是太陽中心溫度的好幾倍。

因此，要獲得這股聚變能量，必須要先輸給原料一股巨大的能量。氫彈正是先用一個裂變彈爆炸后產(chǎn)生的上億攝氏度高溫，而引發(fā)了核聚變。正常的發(fā)電顯然不能是炸出來的，而現(xiàn)有的任何耐火材料都扛不住4萬攝氏度以上的高溫。這下麻煩來了：怎么將核聚變的原料加熱到這么高的溫度？即使達(dá)到了這么高溫的原料，又用什么辦法來約束它們不跑掉？按現(xiàn)有的科學(xué)分析，這樣的解決方案有3種。

磁約束聚變最有望發(fā)電

一是重力約束。這里說的就是太陽。在其巨大的質(zhì)量和體積下，即便沒有特別變態(tài)的高溫（太陽有一千多萬攝氏度），也能靠引力來確保聚變粒子的密度和約束時間，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)而穩(wěn)定地釋放聚變能?？上В@種方案也只有太陽這么大塊頭才能辦到，在地球上是實(shí)現(xiàn)不了的。

美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）的激光靶室，192束高功率激光能把聚變?nèi)剂显趲准{秒的時間內(nèi)加熱到上億攝氏度，從而引發(fā)核聚變反應(yīng)。

國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的尺寸與人體的對比

二是慣性約束?；驹硎怯脴O高功率的激光或其他高能粒子束，轟擊裝有聚變原料氘和氚的小球。這些激光的功率可達(dá)5億兆瓦（1兆瓦=1000千瓦），相當(dāng)于美國所有電站峰值功率的500倍，使小球在納秒量級的時間內(nèi)被加熱到幾億攝氏度。因?yàn)閼T性作用，里面的粒子還來不及飛散出去就已經(jīng)發(fā)生了聚變反應(yīng)，也叫“靶丸聚變”。這方面最前沿的進(jìn)展就是美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF）和中國的神光系列裝置。美國對這種聚變裝置的期望是：當(dāng)聚變輸出的能量超過為引發(fā)反應(yīng)而輸入能量的10～100倍，就值得實(shí)行了。這種方案最大的不足是，每次核聚變反應(yīng)的持續(xù)時間只有一瞬，能量的輸出不連續(xù)，打一發(fā)（激光）就要裝一次彈藥（小球）。雖說瞬間功率大、能量收益率高，但總的能量輸出卻很少。要想作為能源，NIF的激光發(fā)射頻率需要達(dá)到每秒10次，而目前的水平是不到5小時才發(fā)射一次。

三是磁約束。顧名思義，就是用磁場來充當(dāng)約束等離子體的虛擬容器。由于磁場不是實(shí)體，所以不存在耐熱耐壓的問題。為了管好等離子態(tài)的聚變原料，基于這套方案設(shè)計的裝置千奇百怪，其中最流行的一種叫做托卡馬克的裝置。

商業(yè)化聚變能或在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn)

“托卡馬克”這個詞，是由俄語“環(huán)形、真空室、磁、線圈”的詞頭組成，說白了就是個很像游泳圈的環(huán)形磁容器裝置。裝置的中央是一個環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，以上千萬安培的大電流將其中的等離子體加熱到極高的溫度，以達(dá)到核聚變的條件。相比慣性約束，托卡馬克裝置可以連續(xù)輸出能量，符合發(fā)電對細(xì)水長流的要求，并且目前也能做到能量的產(chǎn)出大于投入。

過去，托卡馬克用銅做的線圈來產(chǎn)生磁場。由于磁場必須強(qiáng)大，相應(yīng)地就需要極大的電流。這樣，線圈因?yàn)榇嬖陔娮瓒a(chǎn)生大量的熱，不僅是一種浪費(fèi)，還可能將材料、設(shè)備燒毀。后來，人們又改用超導(dǎo)材料（幾乎零電阻）制作線圈，解決了電阻消耗能量過大和散熱問題。2016年11月2日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的托卡馬克裝置EAST（“實(shí)驗(yàn)性先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克”的縮寫），獲得了超過60秒的穩(wěn)態(tài)高約束模等離子體放電，成為世界首個持續(xù)時間達(dá)到分鐘量級的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

托卡馬克裝置還有一個國際合作的大項(xiàng)目——國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），是20世紀(jì)80年代中期，由美、法等國發(fā)起的，希望借助多方力量，利用具有電站規(guī)模的實(shí)驗(yàn)堆證明氘氚等離子體的受控點(diǎn)火和持續(xù)燃燒，驗(yàn)證聚變反應(yīng)堆系統(tǒng)的工程可行性，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這個團(tuán)隊(duì)由包括中國在內(nèi)的30多個國家的科研人員組成，是目前世界上最大的科學(xué)合作工程。

經(jīng)過一番唇槍舌劍和政治博弈，ITER場址最終落戶核電占比最大的法國，2008年進(jìn)入實(shí)地建造階段。它占地180公頃，共由39棟建筑組成，實(shí)驗(yàn)堆主體直徑28米，高30米，聚變功率達(dá)50萬千瓦，相當(dāng)于中型核裂變反應(yīng)堆的水平。國際核聚變界對ITER計劃及其后聚變能源發(fā)展比較普遍的看法是，建造和運(yùn)行ITER的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備，再經(jīng)過示范堆、商業(yè)聚變核電站（商用堆）兩個階段，聚變能商業(yè)化將在本世紀(jì)中葉或者稍晚實(shí)現(xiàn)。

可控核聚變“永遠(yuǎn)的30年”魔咒

不過，計劃趕不上變化的情況太普遍了。托卡馬克裝置現(xiàn)階段的聚變功力，仍然只是入門水平，還有很多重要的“經(jīng)脈”“穴道”沒有打通。線圈所用的超導(dǎo)材料，造價極高不說，還必須得在接近絕對零度的超低溫下才能保持超導(dǎo)性，為此就需要一套相當(dāng)精密的制冷系統(tǒng)，相當(dāng)于“房間內(nèi)是上億攝氏度，而墻壁只有零下270攝氏度”的場景。等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方面進(jìn)步雖快，但區(qū)區(qū)幾分鐘的持續(xù)輸出時間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以用來發(fā)電。至于“自持”這個更高境界，即反應(yīng)堆不需要長時間注入大量能量就可以維持聚變反應(yīng)這一塊，各國都沒多大進(jìn)展，所以整體上還停留在要算計產(chǎn)出的能量能否回本的階段。

此外，對于ITER這樣一個具有劃時代意義的國際大工程，參與國家眾多也是把雙刃劍，既能聚全球精銳之師，也時有出于利益、投資等問題的扯皮和延期的事件發(fā)生，帶來了技術(shù)攻堅(jiān)之外的變數(shù)。按當(dāng)前計劃，ITER裝置預(yù)計2019年基本建成，2027年開展氘-氚聚變實(shí)驗(yàn)，這比此前計劃的建成時間推遲了4年。

國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目參與方資金投入

氘-氚核聚變反應(yīng)示意圖

在重重難題之下，可控核聚變的研究有個“永遠(yuǎn)在30年后”的笑話，說的是核聚變每一項(xiàng)技術(shù)突破，幾乎都伴隨著“30年后實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電商用化”的美好預(yù)言，卻從來沒有應(yīng)驗(yàn)過。由于投入巨大，回報又沒譜，加上裂變能的利用越來越成熟，許多資本都轉(zhuǎn)向了其他看得見成就和收益的科研領(lǐng)域。但對核聚變持積極態(tài)度的科學(xué)家認(rèn)為，核聚變這棵科技樹的果子格外好吃，種植難度大也在情理之中，花多長時間結(jié)出果子都是值得的。而一旦成功，對能源領(lǐng)域甚至整個人類文明，都將是脫胎換骨的巨大提升。

（季紓緯對本文亦有貢獻(xiàn)）

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com