​可控核聚变又有好消息，人类何时突破这一魔咒？三大问题悬而未决

可控核聚变又有好消息，人类何时突破这一魔咒？三大问题悬而未决

作者：甘戍冬（科学火箭叔）

2023年12月1日，世界最大实验性核聚变反应堆JT-60SA在日本正式点火运行。所以朋友们，那个卡住人类的魔咒——可控核聚变永远再等50年——终于就要被解除了吗！我仔细看了一下，没那么简单。我们还是需要注意到，新闻标题里面的几个关键性文字——实验性。是的，这座由欧盟和日本联合建设的可控核聚变反应堆，也还只是一个实验性的装置，它需要完成的，是帮它的大哥哥、那座还在法国建设的、举全球之力也举全球瞩目的ITER——国际热核聚变实验反应堆计划，提供更多先导的实验数据和技术验证支持。本质上，它俩就没啥区别，都是一种称之为托卡马克的可控核聚变装置......又叫做“甜甜圈”，只是日本刚刚运行的甜甜圈是法国计划等到2035年才运行的甜甜圈的六分之一而已。

所以，到底什么是可控核聚变？什么又是托卡马克装置？JT-60SA到底要验证些什么？我们是不是真的还要等上50年才能用上它发的电？......等等疑问是不是蹭蹭蹭的从脑袋里面冒了出来。好，今天我们的目标，就是给你把它们解释清楚。

先说什么是可控核聚变。一句话解释就是，模仿太阳内部的能量产生方式——通过把两个轻元素，通常是氢的两个同位素氘和氚，融合成一个更重的元素，释放出大量能量的过程。 在这个过程中，轻元素的原子核被强烈地迫使靠近，以至于它们克服了它们之间的排斥力，进而发生聚变。要实现可控核聚变，首先要把氘和氚的原子核加热到极高的温度，使它们变成一种叫做等离子体的状态。等离子体是一种由带电的原子核和电子组成的气体，它的温度可以达到上亿摄氏度，比太阳的核心还要热。在这样的温度下，氘和氚的原子核会以极快的速度运动，有时会相互碰撞。如果碰撞的力量足够大，它们就会结合成一个更重的原子核——氦。而在此过程中，会有一部分的质量消失，转化为能量。这个能量就是核聚变的产物，可以用来发电或者其他用途。话说，发电的方式那么多，为什么我们独爱核聚变呢？因为总结起来，它有以下几个别人不具备的优势：可控核聚变有以下几个优势：第一、资源丰富。可控核聚变的主要燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中含量很高，氚可以通过锂与中子反应产生，锂也是一种广泛分布的元素。据估计，地球上的海水中的氘，如果全部用于聚变反应，释放出的能量足够人类使用几百亿年；第二、环境友好。可控核聚变的反应产物是无放射性污染的氦，不会产生温室气体或其他有害物质，也不会产生长寿命的核废料，基本不污染环境；第三、安全可靠。可控核聚变需要极高的温度和压力才能维持，一旦发生故障或意外，反应就会自动停止，不会发生爆炸或熔毁的危险，也不会对周围造成辐射危害；第四、经济性能优异。可控核聚变的能量输出远远大于能量输入，能量增益因子，也就是Q值，可以达到10倍以上，即输入50兆瓦的能量，输出500兆瓦的能量。这意味着可控核聚变的运行成本和维护费用都很低，可以提供廉价的电力。

但是，以上都是理想，在实际的可控核聚变反应堆里，想要实现能量的正增益，实在是太难了。实际上，JT-60SA要做的，就是帮ITER验证能量正增益的问题。虽然这台四层楼高的机器设计可将加热至2亿摄氏度的等离子体保持约100秒，已经远远长于以前的大型托卡马克装置了。但是，离稳定的、持续的、经济的让等离子体运行并输出功率，还是有很长的路要走的。对了，说到这儿，我就得要解释一下到底什么是托卡马克装置了。它是实现可控核聚变技术路径中的一条，被我们称之为磁性约束。

托卡马克装置长得很像个甜甜圈，为什么是甜甜圈呢，因为它其实是一个四周密布着磁线圈的环形聚变室。它们可以产生非常强的磁场，将被加热成温度远超地球上所有耐热材料极限的高温等离子束缚其中，让它们持续在那儿保持正确的密度和温度，创造出挤破斥力实现原子核之间聚合的条件。但它目前有几大问题需要解决：第一也是最重要的，就是如何让它保持燃烧。我是可以在一开始靠输入大量的能量加热等离子体点燃核聚变，但如果这样的聚变在之后不能靠自己的力量维持下去，还要靠我不断的往里面继续输入能量，那我这是要干什么呢？只是点火来玩的吗？显然不是，这就是我们想要急切解决的问题——能量的正增益。但问题就在于，无论约束等离子体的磁场有多强或形成的有多好，它总会碰上漏网之鱼的。因为围绕磁场线盘旋的正原子核或离子会发生碰撞和散射，最终难免会漂移出磁约束场地了。而要是漂出去的燃料多了，燃烧不就无法持续了吗。唯一已知的解决方案是使反应堆更大，这样散射离子就需要更长的时间才能到达等离子体的边界，因此在此期间还可以发生更多的聚变，有点简单粗暴。所以我们就可以看到，ITER为什么有6层楼高，而JT-60SA也有4层楼高，它们就是为了给等离子体提供更大的包裹空间嘛。可不过，就算是这样的尺寸，仍然不足以维持等离子体的持续燃烧并带来能量，只能算是一个更大的测试装置而已。好，这个问题还悬而未决，接着呢，第二个看起来更加实际的问题来了。就算是我们能持续点燃里面的核聚变了，那该怎么提取出它所产生的能量呢？哎呀，这又是另外一个笑话，即便人类科技发展到了这种地步，咱们还是得要靠烧水来提取其中的能量。托卡马克装置使用氘-氚聚变成氦的反应产生能量，其中的大部分能量会以快速、高能中子的形式释放。中子是个不带电荷的电中性粒子，所以不会加热等离子体，也不受磁场限制，一旦产生就会到处乱射。于是，我们就专门为它准备了厚厚的防护罩，让它打在上面，给防护罩升温，再用这个温度把水蒸发成水蒸汽，从而为涡轮机和发电机提供动力，生产出我们想要的电力了。不过问题是，中子的持续轰击使屏蔽材料随着时间的推移而退化，并变得非常具有放射性，给拆除、更换和处置都带来了严重的问题。这个，我们也没有想得太清楚，而且看起来，它好像也不是那么清洁了对不对。好，第三，核燃料的获取也是个问题。目前我们使用的是氘 - 氚聚变反应，理由是它们发生在所有可能的核聚变燃料的最低能量状态和最低等离子体温度下，因此更容易点燃和保持点燃。虽然理论上氘和氚在地球上都不少，但是，氚这家伙其实在自然界中并没有大量存在，它需要在核反应堆中制造才行。以今天的生产能力，我们都无法制造足够的氚来持续为ITER提供动力，就更别说规模更大、数量更多的，需要实际发电的可控核聚变电站了。

所以，虽然这次JT-60SA反应堆正式点火运行，但咱们离解除可控核聚变魔咒，还有很长的路要走。

好，说完了在日本的JT-60SA，最后咱们再来看看世界上其他国家在可控核聚变之路上走的如何吧。先说咱们中国的，我们目前有全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和可控核聚变研究装置“中国环流器三号”。EAST是世界上第一个建成并运行的全超导非圆截面核聚变实验装置，曾经创造了在1.2亿摄氏度下运行101秒的世界纪录。环流器三号是我国自主设计、建造和运行的最先进的核聚变实验装置，能够产生1.5亿摄氏度的高温等离子体。接着是美国，它有美国国家点火装置NIF和斯坦福线性加速器中心的LCLS-II X射线激光器。NIF是世界上最大的激光装置，采用惯性约束的方法实现核聚变，曾经在2022年1月实现了一种称为燃烧等离子体的现象，即聚变燃料自行输出能量超过了输入热量，这是通往可控核聚变的一个关键的里程碑。LCLS-II是世界上最亮的X射线激光器，能够观察和控制核聚变等离子体的微观结构和动力学。然后是日本，除了JT-60SA它还有国际核聚变材料辐照实验装置IFMIF。这也是一个国际合作项目，旨在研究和开发适合核聚变反应堆的材料，利用高能中子束模拟核聚变反应的辐照环境。

当然，除了以上这些主要的可控核聚变研究项目，世界上还有一些其他国家和组织也在进行相关的研究，例如德国、英国、法国、韩国、印度、俄罗斯、巴基斯坦、朝鲜、以色列等。可以看到，可控核聚变是一项具有巨大潜力和挑战的科学探索，需要全球的合作和创新才有可能实现，希望它真的不要让我们再等上50年了。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：甘戍冬

审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司