聚變核電站：人類get永久能源

　　數(shù)百年以來，人類一直夢想著駕馭太陽能，為地球上的生命提供能量。但我們想實現(xiàn)的，不僅僅是利用太陽能，而是在地球上造出一個“迷你太陽”，也就是核聚變。

　　如果我們能解決各種極為復雜的科學和工程問題，便能通過核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。只要每日從水中提取出一千克的氘（氫的一種同位素），產(chǎn)生的電量就足夠成千上萬個家庭使用。

　　從上世紀50年代以來，科學與工程研究取得了巨大進展，使我們朝著可持續(xù)的氫原子聚變反應又近了一步。實驗產(chǎn)生的核聚變能量雖然很少，但也足以被測量出來了。但懷疑者和支持者都意識到，核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是如何延長反應時間，二是怎樣的設備結構才能將核聚變能量轉化為電力。

　　普林斯頓等離子物理實驗室的核聚變研究人員指出，我們至少還要25年時間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。但考慮到核聚變帶來的巨大益處，我們還是要繼續(xù)努力的。證明核聚變的可行性也許要不了這么久——我們也必須加快步伐，才能在計劃未來的能源時將核聚變納入考慮范圍之內(nèi)。

　　與太陽能、天然氣與核裂變等其它發(fā)電方式不同，核聚變無法先用微縮模型進行研發(fā)、再成比例地放大。核聚變在實驗階段就需要大規(guī)模開展，并且相關設備也需要花很久來準備。但在接下來的一個世紀中，人類必須設法獲取充足、清潔的能源。如果不在核聚變這種最具前景的能源上想辦法，就未免太愚蠢了。

　　但這件事做起來相當困難：由于原子核均帶正電荷，因此會與彼此相斥。除非它們以極高的速度運行，才能在相撞時融合在一起，釋放出我們需要的能量。

　　這樣的過程在太陽上會自然而然地發(fā)生。但在地球上，我們需要用強大的磁鐵來控制住由帶電的氘、氚原子核與電子構成的超高溫氣體，也就是我們所說的等離子體。等離子體的溫度極高，超過1億攝氏度。在這樣的高溫下，帶正電荷的原子核便能以超高速運行，沖破正電荷產(chǎn)生的排斥力，與別的原子核融合在一起。

　　我們還需要從四個方面進一步加強核聚變的優(yōu)勢：其一，在現(xiàn)有的物理和工程條件下，用計算機優(yōu)化核聚變反應堆的設計。

　　原子核融合之后會形成兩個高能粒子——一個α粒子（氦原子的原子核）和一個中子。要想使等離子體達到如此高的溫度，就需要在核聚變反應開始之前，向反應器中提供大量能量。但反應一旦開始，核聚變產(chǎn)生的能量就足以維持這一溫度，多余的熱量則可被我們用來轉化成可利用的電能。

　　核聚變所需的燃料在大自然中比比皆是。例如，水中含有大量的氘，反應器還可以將鋰轉化成氚。并且這些原料廣泛分布于世界各國，不會受當?shù)刈匀毁Y源所限。核聚變是一種清潔的能量來源，不會產(chǎn)生溫室氣體，產(chǎn)物只有氦氣和中子。

　　核聚變是一種安全的反應過程，不可能像核裂變一樣發(fā)生失控。如果反應出現(xiàn)異常，等離子體的溫度就會下降，核聚變反應也就隨之停止了。正是由于核聚變具有這樣的特性，數(shù)十年來，人們才對其展開了不懈研究，并越來越被其所吸引。但核聚變雖然益處多多，對技術的挑戰(zhàn)也同樣不容小覷。核聚變領域取得的進展主要可以從兩個方面進行衡量。

　　首先，我們對高溫等離子體有了更深入的了解?？茖W家專門創(chuàng)立了等離子體這一新的物理領域，研究如何將等離子體限制在強大的磁場中，后來還掌握了對等離子體進行加熱、使其保持穩(wěn)定、控制等離子體內(nèi)部擾動的能力。

　　其次，相關技術也取得了巨大進步。我們在磁體、電磁波源和粒子束領域都取得了重大突破，得以用它們來限制和加熱等離子體。此外我們還研發(fā)出了能夠承受等離子體極端高溫的材料。

　　從這一過程中取得的進步來看，核聚變商業(yè)化還是有望實現(xiàn)的。首屈一指的便是在實驗室中產(chǎn)生的核聚變能量：上世紀70年代，科學家在實驗室中產(chǎn)生的核聚變能量還只有幾毫瓦，僅僅持續(xù)了幾微秒；但到了90年代，普林斯頓等離子體實驗室產(chǎn)生的能量便達到了1千萬瓦特，歐洲聯(lián)合科研中心在1秒鐘里產(chǎn)生了的能量更是高達1600萬瓦特。

　　如今，國際科學界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機構，即國際熱核聚變實驗反應堆（簡稱ITER，在拉丁語中意為“路”），它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量，每次時間長達8分鐘。如果將這些能量轉化為電能的話，足以為15萬戶家庭供電。

　　在此次實驗中，科學家將對可持續(xù)核聚變發(fā)電廠可能遇到的關鍵科學與工程問題進行測試。

　　ITER采用了一種名叫“托塔馬克”（tokamak）的反應裝置，其中的等離子體呈甜甜圈狀，受到強大的磁場約束。而該磁場的一部分是由等離子體中流動的電流產(chǎn)生的。

　　雖然ITER是被當作研究項目來設計的，不準備用來產(chǎn)生電能，但它產(chǎn)生的核聚變能量將高達給等離子體加熱所需的5千萬瓦能量的10倍。

　　這是一次巨大的科學飛躍。在此次實驗中，等離子體加熱所需的大部分能量都來自于核聚變反應本身。參與ITER項目的國家占了世界上一半的人口：中國，歐盟，印度，日本，俄羅斯，韓國和美國。此次項目就像一份強有力的國際聲明，彰顯了我們對實現(xiàn)核聚變的迫切需求和莊嚴承諾。

　　接下來，我們的工作主要由兩方面組成。

　　首先，我們必須繼續(xù)開展對托塔馬克的研究。要繼續(xù)促進物理和工程領域的發(fā)展，讓等離子體可以維持數(shù)月的穩(wěn)定狀態(tài)。我們還需要研發(fā)能夠高耐熱材料，可以在較長時間內(nèi)承受相當于太陽表面溫度五分之一的熱量。此外，我們還要尋找反應堆堆芯的屏蔽材料，吸收反應釋放出的中子。

　　其次，我們還需要從四個方面進一步加強核聚變的優(yōu)勢：

　　1、在現(xiàn)有的物理和工程條件下，用計算機優(yōu)化核聚變反應堆的設計。

　　計算結果顯示，優(yōu)化后的設計應為甜甜圈形狀，運行起來非常穩(wěn)定，并且能自動運作數(shù)月之久。在核聚變行業(yè)中，這種裝置叫做“仿星器”（stellarators）。

　　2、研發(fā)磁力更強、體積更小的新型高溫超導磁鐵，從而減少核聚變反應堆的體積和成本。

　　3、用液態(tài)金屬取代固態(tài)金屬來約束等離子體。固態(tài)金屬在接觸等離子體時可能會破裂，而液態(tài)金屬不會，因此或許能解決這個棘手的問題。

　　4、取消甜甜圈狀等離子體中間的空心設計，讓等離子體的形狀接近于球形。

　　在采取上述做法之后，即使在強度稍弱的磁場中，實驗裝置也能照常運行，或許還能降低反應堆的大小和成本。

　　如今，各國政府紛紛出資，支持上述兩方面的研究。取得的成果將惠及核聚變能源領域的所有研究工作，并將進一步加深我們對宇宙中、以及工業(yè)中的等離子體的理解。而在過去的10至15年間，私營企業(yè)也加入了這一陣營，我們將不斷進步，終有一日能獲得用之不竭、清潔安全的能源。