導(dǎo)言
理論上只要我們給氫原子核提供一定的能量，其可能會釋放出更多的能量。這個過程我們稱之為核聚變。如果我們能讓聚變能實用化，那么我們就再也不需要擔(dān)心能源問題了。（沒聽清楚？我說的是如果?。?/p>
這并不是一個很瘋狂的想法，因為畢竟太陽內(nèi)核就是一直在進(jìn)行著聚變反應(yīng)。正是看中了聚變能源的前景，研究人員在過去的幾十年間一直在向這方面努力。并且，他們還偶爾會取得一些進(jìn)展。比如在去年的冬天，科學(xué)家們就在距離聚變能源的路途上更近了一步。
但是在這條道路上還存在著數(shù)不清的科學(xué)和工程上的障礙。事實上，我們現(xiàn)在可能都不清楚這些障礙具體是什么。即使這樣，由于聚變能實用化后的前景過于誘人，許多國家仍然每年投入大把的鈔票進(jìn)行聚變研究。這篇文章的主要目的就是為了告訴你人類目前在聚變能這條道路上已經(jīng)走了多遠(yuǎn)和未來還有多遠(yuǎn)要走。
什么是熱核聚變？
答：熱核聚變是指兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核，同時釋放出大量的能量。
宇宙中的恒星上熱核聚變現(xiàn)象是非常普遍的。例如，在太陽的內(nèi)核中，高溫和高壓的環(huán)境使得氫原子核聚合到一起，生成氦核的同時釋放能量。這些無時不刻都在太陽上進(jìn)行的聚變反應(yīng)正是太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。所以，研究聚變能在某種程度上就等同于在地球上制造一個微型的恒星。
聚變反應(yīng)違反物理規(guī)律？
答：當(dāng)然不。當(dāng)原子核發(fā)生聚變反應(yīng)時，它們會損失一部分質(zhì)量，這些質(zhì)量虧損會轉(zhuǎn)化為能量的釋放。聚變反應(yīng)源于愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2。質(zhì)能方程指出純粹的能量和物質(zhì)質(zhì)量可以互相轉(zhuǎn)化（此處的E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表真空中的光速）。
我們的核電站在進(jìn)行聚變反應(yīng)嗎？
答：不。目前在運(yùn)行的核電站中其反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生的是裂變反應(yīng)。其物理過程和聚變反應(yīng)正好相反，是較重的核裂變?yōu)檩^輕的核。相對來說，單次聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量多于裂變反應(yīng)。
為何太陽上這么容易發(fā)生聚變反應(yīng)？
答：太陽比地球質(zhì)量大333000倍。巨大的質(zhì)量產(chǎn)生了超強(qiáng)的重力，隨之而來的是超高的壓力。這樣的高壓加上2700萬華氏度的高溫提供了發(fā)生聚變反應(yīng)所需的環(huán)境條件。
那在地球上怎么實現(xiàn)聚變反應(yīng)？
答：我們沒有能力復(fù)制太陽的重力場及其壓力，所以研究人員就必須為聚變反應(yīng)提供比太陽更高的溫度。由于其需要的溫度達(dá)上億華氏度。因此，研究人員想了各種辦法對氫原子進(jìn)行加熱，包括粒子束、電磁場和激光。
由于聚變反應(yīng)的溫度很高，此時反應(yīng)的燃料——?dú)錃鈱⒆兂傻入x子體狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，氣體原子電離為帶電的正負(fù)離子。例如，星球和閃電，甚至霓虹燈中的發(fā)光物質(zhì)都屬于等離子體。
科學(xué)家對可控聚變已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的研究。聚變研究目前的最重要的目標(biāo)就是建造一座產(chǎn)生的能量比自身消耗能量更多的反應(yīng)堆（即實現(xiàn)能量的凈生成）。
這和冷聚變一樣嗎？
答：不。冷聚變指的是理論上在常溫下也能發(fā)生聚變反應(yīng)。目前，還沒有人成功實現(xiàn)過冷聚變。雖然近年來多次有人宣稱實現(xiàn)了冷聚變，但是最終都被證明是假消息?？茖W(xué)家們則對熱核聚變更感興趣并從上世紀(jì)30年代左右就開始了相關(guān)研究。目前可控?zé)岷司圩冏畲蟮奶魬?zhàn)就是如何使其實用化。
目前可控核聚變有哪些實現(xiàn)路徑？
答：目前有很多種關(guān)于可控核聚變的概念。下面提供兩種最有實現(xiàn)可能性的選項。
1、磁約束
磁約束的基本原理是利用磁鐵產(chǎn)生磁場將等離子體約束在一定的范圍內(nèi)，并使用粒子束、微波和無線電波對其進(jìn)行加熱。研究人員使用看起來像甜甜圈一樣的“托克馬克”裝置進(jìn)行聚變實驗（這個奇怪的形狀能幫助約束等離子體）。
在90年代，歐洲的托克馬克裝置JET實現(xiàn)了16MW的聚變功率，維持了不到一秒的時間。總的來說，JET大約可以將注入其內(nèi)部的能量的65%轉(zhuǎn)化為聚變功率。
近年來，一個國際團(tuán)隊正在進(jìn)行有史以來最大的聚變堆的建造。它就是ITER國際熱核聚變試驗堆。ITER的目標(biāo)是實現(xiàn)500MW的聚變反應(yīng)功率，這相當(dāng)于一個一般規(guī)模的核電站的功率水平。ITER計劃的單次反應(yīng)持續(xù)時間將延長至數(shù)秒。并且，研究人員期望能夠在ITER上實現(xiàn)產(chǎn)生的能量比消耗的多10倍這個目標(biāo)。
但是，ITER目前遇到了困難：項目嚴(yán)重拖期且預(yù)算大幅超標(biāo)（翻了三倍，目前預(yù)計耗資220億美元）。
2、慣性約束
這就是位于Livermore, California的國家點火裝置（National Ignition Facility）所采用的路徑。其包含有192部激光器。
NIF將激光束照射到一個很小的黃金制造的罐子上并將其蒸發(fā)，同時釋放出X射線。這些X射線作用到一個比胡椒子還小的球型氫燃料上，對其進(jìn)行加熱的同時將其壓縮，形成等離子體。很小比例的等離子體會發(fā)生聚變產(chǎn)生生成氦核并釋放出能量，全部過程在一瞬間完成。
2014年2月，NIF的研究人員首次報告說氫燃料球釋放出的能量已經(jīng)高于其吸收的能量。目前該技術(shù)離為人類提供能源還相差甚遠(yuǎn)。因為，實驗中的激光器消耗的能量是燃料球釋放的能量的約100倍。但是，該項目還是很有前途的。目前的實驗結(jié)果和NIF的計算機(jī)程序估計值符合得很好，這就表明科學(xué)家對聚變反應(yīng)中等離子體的物理規(guī)律的了解又更近了一步。
哪種聚變反應(yīng)方法更有可能成功呢？
答：如果硬要做出選擇的化，大多數(shù)人可能更愿意為“托克馬克”裝置投資。這是因為聚變研究只是NIF裝置的附帶任務(wù)，其主要任務(wù)是服務(wù)于美國核武庫測試和維護(hù)方面的研究。
但是，很有可能這兩種路徑都走不通。目前，研究人員所開展的都是實驗研究，并不會連接到電網(wǎng)。相對于建造一座能持續(xù)進(jìn)行聚變反應(yīng)的實用的電站，目前的成就——建造一個能在一瞬間進(jìn)行聚變反應(yīng)的機(jī)器，還不值一提。
有人指出，成功建造一座商用的聚變電站所面臨的工程上的困難可能比人類首次實現(xiàn)聚變反應(yīng)還要難得多。
聚變能獲取為什么這么困難？
答：原因之一就是需要對付難纏的等離子體。由于等離子體在地球上并不常見，所以在人們開始研究聚變能之前，人們對其知之甚少。
等離子體很難控制：聚變反應(yīng)中的等離子體溫度高達(dá)幾億華氏度。因此不能指望用一個容器把它裝起來，因為容器必然會熔化。所以要么用電磁場將其完全約束起來，要么很快完成反應(yīng)（持續(xù)時間小于十億分之一秒，此時就不需要考慮約束它的問題）。
等離子體很難壓縮：如果不能從各個方向完全均勻地壓縮等離子體，它就會在任何可能的方向潰散。對此，《科學(xué)美國人》中有這樣精辟的解釋：想象自己手握一個很容易壓扁的氣球，然后盡可能將其壓縮到最小。無論你怎么均勻地用力，氣球總是會從指間擠出來。等離子體的壓縮也是類似的。當(dāng)科學(xué)家像將其壓縮到一個足夠發(fā)生聚變反應(yīng)的球型空間時，等離子總是能找到地方噴射出來。
我們能成功利用聚變能么？
答：廣泛流傳的說法是，ITER將在2020年實現(xiàn)等離子體生成，在2027年實現(xiàn)聚變反應(yīng)。但是自從該項目啟動以來，各種延遲不斷，甚至最近的回顧發(fā)現(xiàn)ITER的管理存在諸多問題。所以，這些節(jié)點需要打一個大大的問號。
大體上在很長時間內(nèi)聚變研究一直在承諾其將在20年內(nèi)成功。傳播這些言論的包括一些瘋子、鼓吹者和一些意愿良好但過分樂觀的科學(xué)家。有悲觀的言論認(rèn)為聚變能永遠(yuǎn)不能實現(xiàn)（可以參考記者Charles Seife幾年前撰寫的報道）。
聚變堆聽起來很危險啊？它會毀滅美國么？
答：完全不。聚變能之所以讓人們這么興奮的一個重要原因就是其超高的安全性，其安全性遠(yuǎn)高于目前在運(yùn)行的核電廠里的裂變反應(yīng)堆，更不用說炸彈了。
那可能發(fā)生像福島核電站那樣的堆芯融化事故么？
答：完全不是問題。首先，為了使等離子體達(dá)成發(fā)生聚變的條件，需要對其進(jìn)行非常精細(xì)的控制。因此，只要聚變堆出現(xiàn)任何一點問題，等離子體會失去發(fā)生聚變反應(yīng)所必須的環(huán)境條件，反應(yīng)馬上就會停止。所以聚變堆完全不用擔(dān)心發(fā)生堆芯融化那樣的事故。
此外，跟裂變反應(yīng)不同，聚變反應(yīng)不需要使用類似鈾這樣的核燃料，不會產(chǎn)生長壽命的高放射性核廢料。在聚變反應(yīng)系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)的是氫的同位素以及氚生成系統(tǒng)加入的一些鋰元素，反應(yīng)的產(chǎn)物則為氦氣（即人們開派對時用的氣球中填充的物質(zhì)）和一些中子。
所以聚變堆就完全不存在風(fēng)險了？
答：沒有什么是絕對安全的，當(dāng)然聚變堆也不例外。下面就來列舉幾項：
中子輻射：聚變反應(yīng)會產(chǎn)生高能中子，雖然中子自身的放射性并不高，但它與反應(yīng)堆壁面材料作用后會使得其變得具有放射性（但這類放射性的殘留時間通常不會像現(xiàn)在的核電站中的反應(yīng)堆材料那么長）。
氚燃料：氚是目前的聚變實驗中常用的一種氫的同位素。其放射性非常弱。EPA（Environmental Protection Agency 美國環(huán)保署）表示, 由于氚放射性很低，同時其在人體內(nèi)的停留時間相對較短，因此即便攝入了一定量的氚，其也是放射性最低的一種核素了。同時，由于反應(yīng)時氚的用量很小，即便發(fā)生了泄漏其對環(huán)境的污染也是微乎其微的。
聚變的核燃料缺乏么？
答：至少可以維持人類使用上千代。物理學(xué)家偏愛使用氘和氚兩種氫的同位素進(jìn)行聚變反應(yīng)，因為其反應(yīng)條件相對較容易。
氘在自然界水中是自然存在的，并且其含量相對較高，總量是充足的。并且，聚變反應(yīng)需要的核燃料量很少（幾加侖的水中的氘產(chǎn)生的能量和一艘超級油輪裝載的全部原油的能量相當(dāng)），因此完全不需要擔(dān)心水資源枯竭的問題。
氚則完全是人造的。它可以通過現(xiàn)在的裂變反應(yīng)堆來生產(chǎn)，或者通過在聚變堆中加入鋰元素來產(chǎn)生。雖然陸地上的鋰資源不算特別豐富，但是海水中的鋰元素足夠支持人類30000年的聚變能使用。
既然太陽已經(jīng)在進(jìn)行聚變反應(yīng)了，為什么不直接使用太陽能電池板呢？
答：很多人宣稱太陽能（當(dāng)然還有很多其他形式的能源）是比聚變能更好的選擇。聚變研究是否值得花費(fèi)大量的資金至今依然存在很多爭論。
但是太陽能的主要問題之一是：并不是任何時間都有充足的陽光。如果我們完全依靠太陽能，那么我們就需要很大容量的電池來存儲能量，而這樣的儲能技術(shù)目前還沒有被研發(fā)出來。就像我們現(xiàn)在使用的化石燃料和使用裂變反應(yīng)技術(shù)的核電站，聚變能可以在任何時間任何地點提供能源。
我自己能完成聚變反應(yīng)嗎？
答：盡管反應(yīng)中的電壓非常高，但是有可能！幾年前，一個14歲的學(xué)生在他的地下室建造了一個聚變反應(yīng)堆。現(xiàn)在你可以在網(wǎng)絡(luò)上找到詳細(xì)的建造指南（有一篇文章“How to Build a $1000 Fusion Reactor in Your basement”）。祝你好運(yùn)，玩得愉快！
