核聚變能利用離我們還多遠(yuǎn)？

巴黎氣候變化大會帷幕落下，抵抗氣候變化的協(xié)議順利達(dá)成，近200個締約方領(lǐng)著各自的任務(wù)回了國。除了通過政治倡議由上而下地促使全球邁向低溫室氣體排放時代，最根本的問題仍在于發(fā)揮科技力量找到人類可以持續(xù)利用的真正的綠色能源，核聚變能便是聚焦了科學(xué)界最多關(guān)注的新能源之一。

　　很多人知道的是，核裂變和核聚變都能產(chǎn)生巨大能量，太陽產(chǎn)生的能量便是聚變的產(chǎn)物，而原子彈和核裂變發(fā)電廠就是運用了核裂變的原理。但相比之下，核聚變所產(chǎn)生的能量更大，而且，由于使用的燃料不具有放射性，所以也不會產(chǎn)生帶放射性的核廢料。

　　以科學(xué)研究的累累碩果享譽世界的德國馬克斯普朗克研究所（Max Planck Institute）在最近的一次核聚變試驗中，通過其等離子物理分所里一臺Wandelstein X-7“仿星器”裝置，利用1.8兆瓦激光脈沖對1毫克氦氣加熱，成功地將氦等離子體在十分之一秒的時間內(nèi)迅速升溫至100萬攝氏度，這意味著，人類朝著核聚變能的應(yīng)用又邁進(jìn)了重要一步。

　　Wandelstein X-7“仿星器”

　　1億攝氏度和1000秒

　　電離是電子離開原子核的過程，電離后的物質(zhì)就由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，在形態(tài)上，等離子體異于固體、液體和氣體，是狀似“漿糊”的第四態(tài)物質(zhì)，因此等離子體也被稱為電漿。

　　1950年發(fā)明的仿星器(Stellarator)的原理就是模仿恒星，利用巨大的電磁室來進(jìn)行受控核聚變反應(yīng)研究。實驗室的未來目標(biāo)是把被約束起來的氫同位素氘加熱到1億攝氏度的高溫，創(chuàng)造類似在太陽內(nèi)部發(fā)生核聚變的必要條件，繼而持續(xù)產(chǎn)生能量。

　　有資料舉例，如果令一升海水中提取出來的氘作為燃料發(fā)生完全核聚變，那么將釋放相當(dāng)于300升氣候燃燒時所釋放的能量。

　　中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院副院長李建剛曾向媒體表示，假如每年要燒100萬噸煤用于發(fā)電，那么如果用核裂變代替煤電能源一年需要5噸鈾，但用核聚變一年只要100公斤的重水。

　　可見，核聚變能具備為人類源源不斷提供高效能源的潛力。但是，由于核聚變受控難度巨大，人類離用上核聚變能產(chǎn)生的電力還有很長一段距離。

　　簡單地說，要穩(wěn)定地利用核聚變必須首先滿足兩個條件。一是把氚或氘的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，二是至少持續(xù)1000秒以達(dá)到持續(xù)反應(yīng)。可見，受控核聚變的一個核心課題是等離子體的約束技術(shù)。

　　過去半個多世紀(jì)里，科學(xué)家從未停止過對利用核聚變能的探索。但是，得到核聚變能所需要的溫度之高和離子受控的難度之高共同決定了這項實驗的漫漫長路。

　　德國9年前便開始在東北部城市格賴夫斯瓦爾德建造Wandelstein X-7，去年5月組裝完成進(jìn)入運行準(zhǔn)備階段，目前已經(jīng)在該研究上花費了10億歐元，德國聯(lián)邦政府承擔(dān)了其中70%的費用。

　　“國際熱核聚變實驗堆”（ITER）計劃

　　ITER計劃

　　事實上，歐洲另外一個主要的聚變項目是1985年在法國南部卡達(dá)拉舍啟動的“國際熱核聚變實驗堆”（ITER）計劃。該計劃將持續(xù)35年，目前已投入超過200億歐元。我國也于2006年參加了ITER計劃，和歐盟，美國，韓國，俄羅斯，日本及印度公共開發(fā)該項目。

　　在ITER計劃中，中國主要承擔(dān)裝置的導(dǎo)體生產(chǎn)。日本三菱重工則在神戶造船廠的二見工廠里為ITER生產(chǎn)體積龐大的核心部件“環(huán)向場線圈”。

　　中科院等離子體物理研究所的網(wǎng)站顯示，12月1日，中國順利交付了ITER校正場線圈（CC）最后一根導(dǎo)體，這標(biāo)志著中方完成了ITER第三個采購包CC導(dǎo)體的所有工作。

　　ITER的核心裝置是一個能夠產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克（Tokamak），該裝置由蘇聯(lián)人于上世紀(jì)50年代發(fā)明，是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，內(nèi)部在通電時會產(chǎn)生巨大的螺旋磁場，將等離子體加熱到極高溫度完成核聚變。

　　和托克馬克相比，德國Wandelstein X-7裝置的最大特點是可以連續(xù)約束超高溫等離子體長達(dá)30分鐘，而托克馬克的約束時間僅為6分30秒。

　　中國全超導(dǎo)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置EAST

　　中美積極參與

　　除了歐洲之外，美國也是核聚變能開發(fā)的重要參與者。

　　美國的核聚變研究主力，一個是該國能源部耗資40億美元在加州利弗莫爾建造的國家點火裝置，也是世界最大的激光核聚變裝置。但爭議是，利用該技術(shù)研制的氫彈，用激光點火爆炸后不會產(chǎn)生放射性裂變物，屬于不會產(chǎn)生核輻射的“干凈的”“常規(guī)武器”，并且不受《全面禁止核試驗條約》的限制。

　　另一個是五角大樓的重要供應(yīng)商洛克希德馬丁公司旗下專門執(zhí)行秘密研究計劃的臭鼬工廠（Skunk Works）。去年10月，臭鼬工廠宣布對其核聚變能源反應(yīng)裝置的體積進(jìn)行了緊湊型設(shè)計。甚至稱能在10年內(nèi)生產(chǎn)出直接裝在卡車后面的小型反應(yīng)堆。

　　中國同樣在核聚變技術(shù)上不斷取得突破。據(jù)新華網(wǎng)11月3日報道，我國自行設(shè)計、自主研發(fā)的首臺大型反場箍縮磁約束聚變實驗裝置（KTX，中文簡稱“科大一環(huán)”）在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成安裝調(diào)試并進(jìn)入常態(tài)化運行。KTX所利用的反場箍縮，有別于托卡馬克和仿星器，是另一類環(huán)形磁約束聚變裝置。

　　再把時間往前推，可以看到中國在開發(fā)核聚變能上幾乎從未停止過腳步。1990年，俄羅斯國家研究中心庫爾恰托夫研究所把一臺T-7托卡馬克裝置贈送給中國，中國的科學(xué)家經(jīng)過4年的改造，建成了當(dāng)時世界第四個超導(dǎo)托卡馬克HT-7，后又在此基礎(chǔ)上建造了世界上第一個全超導(dǎo)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置HT-7U，2003年更名為EAST(Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。