1 未來能源

自人類直立行走、使用工具時(shí)起，直至今日，對(duì)能源的使用方式幾乎沒有實(shí)質(zhì)性的變化。無論是鉆木取火，還是燃燒煤炭，再到近代的石油、天然氣的大規(guī)模開采和深度利用，都是通過破壞燃料的化學(xué)鍵來獲得能量。例如：煤炭里的碳元素經(jīng)過燃燒之后，雖然生成大量二氧化碳，但碳元素本身并沒有改變。

直到到科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了核能，才真正打開了高效利用物質(zhì)能源之門。與化學(xué)能不同，核能直接“破壞”的是原子核內(nèi)部構(gòu)成，從而獲得巨大的能量，將一種元素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素。相比化學(xué)能，核能釋放的能量要超其上百萬倍。

獲取核能的方式一般有三種：

1、核裂變：較重的原子核分裂成較輕的原子核。

2、核衰變：不穩(wěn)定的原子核放射粒子產(chǎn)生能量。

3、核聚變：較輕的原子核聚合成較重的原子核釋放能量。

在一直無私奉獻(xiàn)光和熱的太陽內(nèi)部，已經(jīng)進(jìn)行了40多億年的核聚變。如果人類未來掌握了核聚變技術(shù)，就相當(dāng)于在人類的手中，托起了明天的太陽。

——相比其他能源供應(yīng)方式，核聚變究竟有什么特殊的魅力，才能被眾多研究者奉為未來能源呢？

首先，核聚變發(fā)電擁有其他發(fā)電方式無可比擬的“量大質(zhì)少”的優(yōu)點(diǎn)。

以一百萬千瓦的電站每年所需燃料來做比較，傳統(tǒng)的熱電廠需要大約200萬噸優(yōu)質(zhì)煤，需要33000個(gè)火車皮來運(yùn)輸;燃油電廠則需要130萬噸燃油，約為1000萬桶;核裂變電廠需要約為30噸核原料，幾輛卡車就可以運(yùn)輸;而核聚變電廠僅僅需要燃料氘0.6噸，一輛小皮卡的運(yùn)力足以供應(yīng)。

其次，核聚變所需的燃料儲(chǔ)備巨大。

根據(jù)已探明的石油儲(chǔ)量，化石燃料再開采幾十年就會(huì)開始枯竭。而核裂變發(fā)電所需原料鈾在陸地上的儲(chǔ)量并不豐富，且分布不均，還被少數(shù)國家把持著。估計(jì)全球適用于開采的鈾礦僅100萬噸左右。但核聚變使用的燃料之一的氘儲(chǔ)量巨大。每升海水中含量有約0.03克氘，可產(chǎn)生相當(dāng)于300升汽油產(chǎn)生的能量。而全球海洋約為13.8億立方公里，因此氘的儲(chǔ)量非常巨大。以現(xiàn)在全球每年消耗能源來計(jì)算，足夠全人類使用數(shù)萬年以上。

除此之外，核聚變還很環(huán)保，反應(yīng)過程完全沒有二氧化碳排放，更沒有放射性或者放射性廢物排出。

例如，使用氦-3的核聚變熱核反應(yīng)堆只會(huì)產(chǎn)生沒有放射性的質(zhì)子，因此使用氦-3作為能源時(shí)不會(huì)產(chǎn)生輻射，不會(huì)為環(huán)境帶來危害。而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球上儲(chǔ)有大量的氦-3，總計(jì)超過100萬噸，按照現(xiàn)在全球能源消耗總量計(jì)算，也足可以支撐人類使用數(shù)萬年。這為在月球建造基地，探索更遙遠(yuǎn)的太空打下了基礎(chǔ)。

2 聚變之路

核聚變是通過兩個(gè)較輕的原子核合成一個(gè)較重的原子核，并在這一過程中釋放大量的能量。目前實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的必要條件是將核聚變“燃料”不斷加壓加熱，直至開始反應(yīng)。

雖然說起來很簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作起來要困難得多。

科學(xué)家起初并沒有發(fā)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，是因?yàn)樵谝话銞l件下氘核與氚核的混合態(tài)不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的核聚變。原子核由中子和質(zhì)子組成，這些家伙能夠“和平相處”是由于非常強(qiáng)大的核力將之“控制”在一起，在極為狹小的區(qū)域形成原子核。為了打破這一平衡，需要將核子之間的距離壓到小于0.00000000001毫米——在太陽內(nèi)部的高溫高壓條件下，原子核之間的各種粒子的平衡被打破，氫原子核聚變成氦原子，并釋放出巨大的能量，所以太陽是人類最早認(rèn)識(shí)、距離地球最近、規(guī)模最大的核聚變反應(yīng)裝置。

然而，在地球上我們要如何完成這一過程？

科學(xué)家想到的第一個(gè)辦法是氫彈——利用原子彈核爆產(chǎn)生的數(shù)千萬度的高溫和上億倍的大氣壓強(qiáng)，迫使核聚變的燃料被“點(diǎn)燃”，釋放出巨大的能量。

氫彈的能量釋放劇烈程度遠(yuǎn)超人類的想象和掌控，根本無法平和利用。想要在地球表面僅有一個(gè)大氣壓強(qiáng)且常溫的環(huán)境下“啟動(dòng)”核聚變是一件相當(dāng)困難的事情。

但科學(xué)家們并未放棄。

3 約束太陽

在《鋼鐵俠》電影中，托尼·史塔克胸口的方舟反應(yīng)堆（ArcReactor）就是核聚變反應(yīng)堆。但是在現(xiàn)實(shí)世界中，這暫時(shí)仍是不可實(shí)現(xiàn)的幻想。

想要控制、使用核聚變這種未來能源，必須對(duì)核聚變的過程進(jìn)行約束，使釋放能量的過程不那么劇烈。一般做法是將“點(diǎn)燃”的核聚變?nèi)剂戏忾]在一定的空間內(nèi)，使用磁約束或者慣性約束方式控制核聚變的整個(gè)過程。

首先，要把核聚變?nèi)剂希ɡ珉碗暗幕旌衔铮┳兂伞暗入x子體”。這需要對(duì)燃料進(jìn)行升溫操作，加熱、加熱、再加熱，熱到足以使原子核和電子分開，變成“一鍋等離子體湯”。此時(shí)僅僅是得到的帶正電的原子核，它們彼此之間始終是排斥的，讓它們能相互接近到足以開始聚變是一件極其困難的事情。所以必須繼續(xù)加熱、加壓，使原子核劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，溫度升高，密度變大，封閉的時(shí)間越長(zhǎng)，彼此接近的機(jī)會(huì)越大，直到開始反應(yīng)。

其次，要對(duì)等離子體進(jìn)行約束。一是因?yàn)楦邷馗邏籂顟B(tài)下的等離子體會(huì)很快“四散奔逃”，所以這一過程必須在封閉空間內(nèi)進(jìn)行。二是普通的“鍋”承受不了“湯”的溫度。等離子體的溫度會(huì)被升到千萬甚至上億攝氏度，人類已知的任何容器都無法“盛放”這些滾燙的“等離子湯”。在太陽內(nèi)部，這就不算事兒了，自有巨大的引力將等離子體約束在內(nèi)部，不怕“泄漏”。由此，科學(xué)家開發(fā)出兩種思路，一種是磁約束，另一種是慣性約束。

磁約束顧名思義，由于等離子體帶電，只要制造出足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)，等離子體就會(huì)被“吸”在人為制造出來的磁線上，達(dá)到將等離子體約束在一定的空間內(nèi)的目的，然后抽真空阻止熱量外泄，如此可以避免這些超熱的“湯”燒透“鍋底”。

實(shí)現(xiàn)磁性約束核聚變的科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器中，最著名的是“托卡馬克”裝置，大部分國家目前研究使用的就是這個(gè)裝置。雖然從原理上來說這一裝置還算靠譜、安全，但也有致命缺點(diǎn)。托卡馬克裝置需要龐大的配套設(shè)備，例如加熱設(shè)備、發(fā)電設(shè)備，加上本身體積龐大，使得投入變得十分驚人，每個(gè)裝置的成本都異常高昂。

另一種約束等離子體的方法是慣性約束法。它的另一個(gè)名字是脈沖性聚變——首先將幾毫克的氘和氚的混合物放置進(jìn)直徑幾毫米的小球內(nèi)。然后使用高能激光束或者粒子束射擊，由于球面吸收了能量、開始像火箭尾焰一般向外蒸發(fā)，受到其反作用力，球面內(nèi)層開始向內(nèi)沖擊，球體內(nèi)部的燃料受到擠壓，壓力快速升高，溫度也急劇飆升。

當(dāng)溫度達(dá)到足以產(chǎn)生核聚變的點(diǎn)火溫度時(shí)，小球就會(huì)爆炸，并釋放出巨大的熱能。因?yàn)槿剂蟿┝亢苄?，爆炸的?jí)別也便于控制，時(shí)間也很短，只有幾萬億分之一秒。如果在一定的時(shí)間內(nèi)、將這樣的爆炸持續(xù)進(jìn)行下去，所釋放的熱量就有機(jī)會(huì)順利導(dǎo)出用于發(fā)電。

在這一方案中，不再需要托卡馬克裝置的巨大磁約束裝備，但仍然要安裝高能激光和粒子束發(fā)生器，占地面積也不會(huì)小。

到目前為止，小型的、可實(shí)用的聚變核反應(yīng)堆還只是嵌在鋼鐵俠胸口的幻象，可控的核聚變道路仍然漫長(zhǎng)。

4 可控核聚變50年魔咒

以現(xiàn)在的技術(shù)來說，別說制作出鋼鐵俠胸口的方舟反應(yīng)堆，就連實(shí)現(xiàn)持續(xù)、可控的核聚變反應(yīng)都難如登天。

之前提到的托卡馬克裝置，從20世紀(jì)70年代開始就逐漸顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性，自80年代起，各國、組織陸續(xù)將其上馬，托卡馬克反應(yīng)堆成為了研究核聚變的主要途徑。而中國也已經(jīng)陸續(xù)建成了相關(guān)裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。例如在2006年建成的“東方超環(huán)”EAST，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大于400秒的超高溫約束等離子體運(yùn)行。

由于可控核聚變的研究過于緩慢，名為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER（InternationalThermonuclearExperimentalReactor）的托卡馬克裝置開始被提上議程。這個(gè)國際合作組織成立于2007年，由七個(gè)成員實(shí)體資助和運(yùn)行，包括歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國。項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)30年，其中10年用于建設(shè)，20年用于運(yùn)行，耗資超過百億美元。ITER的科學(xué)目標(biāo)是一次放電聚變?nèi)紵S持時(shí)間400～3000秒，離子體中心溫度將達(dá)到1億～2億度。

但自上世紀(jì)50年代提出可控核聚變發(fā)電以來，每逢有媒體問道相關(guān)的研究者何時(shí)能實(shí)現(xiàn)。聽到的回答總是50年以后，這之后，一個(gè)又一個(gè)10年過去了，50年過去了，但仍然沒有看到即將成功的跡象。

這是因?yàn)?，所有的可控核聚變模型都有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：輸入的能量大于輸出的能量。

無論是磁性約束還是脈沖核聚變，都需要超大的能量給燃料點(diǎn)火，托卡馬克裝置還需要配套的磁約束設(shè)施，額外的消耗的能量更多。但如果給核聚變點(diǎn)火付出的能量大于反應(yīng)輸出的能量，這項(xiàng)研究就失去了意義。

前幾年曾有報(bào)道稱：一些慣性約束實(shí)驗(yàn)——也就是使用激光給燃料球點(diǎn)火的實(shí)驗(yàn)——成功獲得了超過輸入能量的輸出能量。我國的東方超環(huán)也曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)過程中獲得過此類數(shù)據(jù)。但僅僅是持平或者超過一點(diǎn)點(diǎn)并不能讓核聚變發(fā)電得到實(shí)際應(yīng)用，核聚變的得到的能量至少要比輸入能量要高出10倍、甚至30倍才有可能最終推廣發(fā)電?，F(xiàn)在看來，距離這一目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。

5 核聚變飛船

如果核聚變?nèi)〉猛黄菩缘倪M(jìn)展，就足以改變我們的世界，甚至還可以送我們到達(dá)更遙遠(yuǎn)的宇宙。

以現(xiàn)在的技術(shù)來說，磁約束的核聚變或許是核能發(fā)電的最優(yōu)選擇，但未必適用于火箭和宇宙飛船的推進(jìn)。因?yàn)橐爰s束超高溫的等離子體，必須安裝一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這需要巨大沉重的永久磁鐵和電磁線圈，不適合從地球上發(fā)射至太空，至多只能在太空中直接建造。

使用慣性約束的“小球連續(xù)爆炸式”核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)似乎更適合太空飛船，至少攜帶燃料要輕許多。不過這個(gè)方案同樣有個(gè)問題，需要安裝的高能激光器也實(shí)在不是一個(gè)小家伙，位于美國加州的激光型核聚變裝置NIF占地足有三個(gè)足球場(chǎng)大，點(diǎn)火用的強(qiáng)激光的能量來源還需要更多的燃料才能實(shí)現(xiàn)。

無論是哪一種核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，科學(xué)家現(xiàn)階段面對(duì)的并不是理論難題，而是技術(shù)問題?；蛟S在下個(gè)五十年，可控核聚變有可能真的獲得突破，屆時(shí)無論是火箭還是宇宙飛船，尺寸可以造得更大，人類和貨物裝得更多，飛得更快更遠(yuǎn)。

帶上一個(gè)太陽，向著群星出發(fā)——我們確實(shí)可以期待一下這樣的未來。

【責(zé)任編輯：遲"卉】