官宣！再過五十年，鋼鐵俠里的黑科技就要成為現(xiàn)實(shí)了！

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模仿太陽，制造受控核聚變，是一項(xiàng)能夠徹底解決人類能源危機(jī)的“黑魔法”

為了實(shí)現(xiàn)受控核聚變，各國都建造了一批驗(yàn)證其可行性的實(shí)驗(yàn)裝置

在這些裝置中，核聚變已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但如何收集利用產(chǎn)生的能量，是個大問題。

韓國KSTAR聚變裝置 l Research Council of Science & Technology看到這個仿佛好萊塢科幻電影道具的大型裝置，你想到了什么？漫威英雄鋼鐵俠托尼·史塔克的方舟反應(yīng)堆？恭喜你，跟正確答案已經(jīng)很接近了，可能就差50年左右。實(shí)際上，它是韓國可控核聚變試驗(yàn)裝置KSTAR，最近，這個大家伙成功地將1億攝氏度的等離子體維持了20秒鐘，打破了此前由中國同類設(shè)備“EAST東方超環(huán)”創(chuàng)造的10秒紀(jì)錄。

等等，托尼·史塔克的方舟反應(yīng)堆不是一個輸出能量無限的超級動力裝置嗎？這個KSTAR所創(chuàng)造的紀(jì)錄怎么更像是某種保持高溫的耐力測試？請大家看看《漫威百科全書》，里面明確地指出，無論是史塔克工業(yè)基地下面的方舟反應(yīng)堆，還是鋼鐵俠戰(zhàn)甲胸口的那個迷你反應(yīng)堆，都叫“磁約束（核）聚變反應(yīng)堆”。無論是我國的EAST東方超環(huán)，還是韓國的KSTAR，都是核能科學(xué)家努力把漫畫中史塔克的天才奇想變成現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置。只是，由于存在諸多技術(shù)難題，它們暫時還沒辦法輸出能量。

再造一個太陽，溫暖全世界

說到核聚變，大家第一感覺就是，這是一個充滿未來神秘感，高大上的黑技術(shù)。但實(shí)際上，我們每天都在密切接觸這種神秘的能量生產(chǎn)方式，那就是太陽。我們每天沐浴的陽光，就來自太陽內(nèi)部的聚變。

太陽，主要由氫和氦元素構(gòu)成。由于引力的作用，太陽核心附近的溫度達(dá)到了1500萬度，壓力超過2300億個大氣壓。正是在這個煉獄般的環(huán)境里，四個氫原子核（質(zhì)子）能夠克服巨大的庫倫斥力（根據(jù)庫侖定律，電荷之間排斥力與距離的平方成反比）靠近到大約10^-15米，相當(dāng)于1根頭發(fā)絲的500億分之1，然后聚變?yōu)橐粋€氦原子核，并釋放出巨大的能量。

當(dāng)今世界，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及一次次技術(shù)革命的推動，人類對能源的需求，顯得永無止境。于是，不會發(fā)生核事故、零核廢料而又能量巨大的可控核聚變，就進(jìn)入了人類的視野。像中國、韓國這樣油氣資源有限、能源對外依存度高的國家，對可控核聚變的興趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家。此外，核聚變還可作為未來航天器的動力，讓太空飛船擁有持續(xù)而充沛的動力，可以前往遙遠(yuǎn)的星系。

而在地球上，我們要想利用人工技術(shù)實(shí)現(xiàn)核聚變，收集能源，說白了就要模擬出一個類似太陽內(nèi)部的極端環(huán)境。但與太陽的四個質(zhì)子聚變不同，人工核聚變裝置一般誘發(fā)的是氘氚聚變。因?yàn)殡熬圩冃枰朔膸靵龀饬ο鄬^小，更容易實(shí)現(xiàn)。每次氘氚聚變會生成一個氦核和一個中子，并釋放出17.6兆電子伏的能量，其中那個中子的能量占了14.1兆電子伏，相當(dāng)驚人。

氘氚聚變示意圖 | atomicarchive.com當(dāng)然，這個“驚人”指的是它的能量轉(zhuǎn)換效率，而不是能量總量。14.1兆電子伏聽起來很多，但在現(xiàn)實(shí)中，連一只普通的40瓦電燈泡都無法點(diǎn)亮。但科學(xué)家們經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果1公斤氘氚混合物發(fā)生受控聚變，那么釋放的能量可是3400億千焦，是同等重量標(biāo)準(zhǔn)燃煤的1100萬倍！而地球上的海水中，就含有40萬億噸聚變所需的氘，可供人類使用上億年，徹底解決人類面臨的能源問題。

1961年10月，代號“沙皇炸彈”的蘇聯(lián)氫彈試爆現(xiàn)場其實(shí)，人類所制造的恐怖武器氫彈，就是利用原子彈爆炸形成的高溫和X射線壓縮效果來引發(fā)氘氚聚變，但由于核聚變不受控，它產(chǎn)生的恐怖能量在一瞬間就散發(fā)殆盡，人類無法將它作為持續(xù)的動力來源使用，所以就要另辟蹊徑。

先捉住調(diào)皮的中子，再燒水發(fā)電！

那么，我們需要建造怎樣一個黑科技設(shè)備來誘發(fā)一場人類可控制的核聚變，然后再將這些能量收集起來為我所用呢？

由于無法實(shí)現(xiàn)太陽內(nèi)部的高壓，人類就只能將設(shè)備內(nèi)部溫度提得更高，達(dá)到幾千萬度，甚至1億度以上，此時一部分氘氚原子核的熱運(yùn)動速度將使其克服庫倫斥力，實(shí)現(xiàn)勝利會師，發(fā)生聚變。

托卡馬克裝置內(nèi)部構(gòu)造圖 | iaea.org在上億度的高溫下，物質(zhì)的原子核和電子已經(jīng)剝離，自由的電子與光禿禿的原子核混成一團(tuán)“漿糊”，這種物質(zhì)就被稱為等離子體。但是，溫度高達(dá)1億度的等離子體，沒有任何已知材料做成的容器能把它裝起來，那怎么辦呢？科學(xué)家知難而進(jìn)：既然等離子體中的粒子都帶電，那么一個足夠強(qiáng)大的磁場，就能把它們牢牢桎梏起來，這就是蘇聯(lián)專家在上世紀(jì)50年代發(fā)明的“托卡馬克裝置”。

“托卡馬克裝置”由環(huán)形真空室和磁場線圈構(gòu)成，真空室中的等離子體被各個方向的磁場束縛住，形成了環(huán)狀的一圈。無論是KSTAR、EAST東方超環(huán)，還是最新建成的中國環(huán)流器2號M，都屬于這個類別。

有了“托卡馬克裝置”，是不是就能實(shí)現(xiàn)可控聚變，開始發(fā)電供熱了呢？不好意思，還差得遠(yuǎn)。首先，至少得讓聚變輸出能量大于輸入能量，這就要求等離子體溫度要夠高，密度要夠大，才能讓足夠多的氘氚原子核發(fā)生反應(yīng)。然后，聚變反應(yīng)要能維持一段時間，穩(wěn)定地釋放出能量，不能玩一錘子買賣。

為了實(shí)現(xiàn)以上兩點(diǎn)，托克馬克裝置需要達(dá)到盡可能高的“聚變?nèi)胤e”，就是溫度乘上密度再乘上約束時間。這個參數(shù)越高，越有可能實(shí)現(xiàn)自持的可控聚變。為了達(dá)到上億度甚至更高的溫度，科學(xué)家想了很多辦法，例如向里面注入高能量的中性原子束，或者用微波來加熱等離子體等。

國際熱核試驗(yàn)堆ITER | iter.org經(jīng)過各國核能科學(xué)家和技術(shù)人員的不懈努力，美國的TFTR、英國的JET和日本的JT60三個托卡馬克裝置已經(jīng)做到了聚變輸出能量與輸入能量相當(dāng)，JT60的輸出能量甚至比輸入能量高出30%。

目前世界上參數(shù)最高，最有希望實(shí)現(xiàn)長時間大功率可控聚變的，是中國也參與建設(shè)的國際熱核試驗(yàn)堆ITER。這個龐然大物的真空室直徑超過12米，持續(xù)燃燒時間500秒，能實(shí)現(xiàn)50萬千瓦的聚變功率，輸出能量預(yù)計(jì)能達(dá)到輸入能量的10倍。不過，ITER由于難度太大，設(shè)計(jì)方案變更，加上參與各國“眾口難調(diào)”，自1985年啟動后連續(xù)跳票，堪稱鴿王。

根據(jù)最新的公開計(jì)劃，ITER最早要到2025年，才能開始運(yùn)行。當(dāng)然，從積極角度講，ITER項(xiàng)目也在相當(dāng)程度上促進(jìn)了韓國KSTAR，以及我國的中國環(huán)流器2號M的誕生與改進(jìn)迭代。

假設(shè)ITER按期完工，人類就能夠享受源源不絕的安全能量，或者制造出鋼鐵俠戰(zhàn)甲了嗎？不好意思，距離還很遙遠(yuǎn)！因?yàn)殡熬圩儺a(chǎn)生的能量雖多，但卻有80%在中子身上。中子不帶電，不受磁場約束，出生之后像調(diào)皮搗蛋的閃電俠，一溜煙就跑了，實(shí)在是令科學(xué)家頭疼不已。所以，如何讓調(diào)皮的中子慢下來，把它身上的動能轉(zhuǎn)換成熱能為人類所用，依舊是個需要克服的技術(shù)問題。

對此，科學(xué)家設(shè)想的理想模式是，在設(shè)備外放一個含有鋰元素的“夾心包層”。這樣一來，當(dāng)大規(guī)模聚變反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)生的大量中子向外逃逸的時候，正好一頭撞上包層中的鋰元素，從而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不斷生產(chǎn)出聚變需要的氚。同時，包層中的冷卻劑被高速中子沖擊后又迅速升溫，這樣就能開啟現(xiàn)有核電廠喜聞樂見的“燒開水推動汽輪機(jī)”模式，產(chǎn)生人類需要的能量了！

聚變示范堆DEMO構(gòu)造圖 | iter.org

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要多久呢？根據(jù)現(xiàn)有公開資料，ITER的后繼設(shè)備，能夠進(jìn)行大規(guī)模核聚變并儲能的示范堆DEMO，預(yù)計(jì)在2060年才能投入運(yùn)行。雖然現(xiàn)在聽起來還比較遙遠(yuǎn)，但對于科學(xué)家來說依舊非常欣慰，畢竟人類距離受控核聚變的降臨，從“永遠(yuǎn)還有五十年！”變成了“真的大概只有五十年”了。

參考文獻(xiàn)

[1]Yeong-Kook Oh, Progress of the KSTAR Research Program Exploring the Advanced High Performance and Steady-State Plasma Operations， Journal of the Korean Physical Society, Vol. 73, No. 6, September 2018, pp. 712～735.

[2]馮開明.ITER實(shí)驗(yàn)包層計(jì)劃綜述[J].核聚變與等離子體物理,2006(03):161-169.

[3]康衛(wèi)紅.韓國的核聚變研究現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略[J].世界科技研究與發(fā)展,2014,36(02):210-216.

作者：人馬座A

編輯：朱步?jīng)_