周錢陽

（浙江省柯橋中學，浙江紹興 312030）

0.引言

盡管化石能源仍是當前世界主要的能源，但各國的化石燃料已總體呈現(xiàn)出逐漸枯竭的趨勢。此外，化石燃料的燃燒會導致一系列全球性環(huán)境問題。尋找更加清潔、高效而安全的能源，已經(jīng)迫在眉睫。

世界各國都投入了大量人力物力研發(fā)新的能源，其中受到最多關注的便是被稱為“終極能源”的可控核聚變?？煽睾司圩兛梢葬尫糯罅康哪芰浚瑤缀醪粫Νh(huán)境造成污染。更重要的是，其主要原料氘和氚在海洋中有廣泛的分布：每升海水平均含有約0.03g 的氘，而地球上大約有13.7 億km3的海水，這就意味著海水中共含有約40 萬億t 氘，而氚的總含量也有約25 億t。1g 氚發(fā)生聚變時，可以產(chǎn)生10°電能。事實上，核聚變之所以被稱為“終極能源”，是因為聚變?nèi)剂系哪芰棵芏葮O高。聚變過程只會產(chǎn)生極少的核廢料，而且聚變反應產(chǎn)生的輻射可以用白紙擋住。

當前，核聚變?nèi)允遣豢煽氐摹Ｈ祟愐恢痹趯ふ铱梢匀菁{溫度如此高的燃料的容器和更可靠的聚變約束方式，但直至目前，科學家仍未取得重大進展，他們?nèi)孕柽M行深入探索。北京航空航天大學物理學院院長呂廣宏教授認為，在實現(xiàn)可控核聚變的過程中，要一步一步來。ITER 是當前的工作重點。而未來的工作重點就是中國聚變工程實驗堆CFETR，它將來會變成聚變電站，最終定能實現(xiàn)可控核聚變。

1.核聚變的反應原理

核聚變也叫熱核反應，核心原理是愛因斯坦的質(zhì)能方程：

能量=質(zhì)量×光速的平方

較小的帶正電的原子核如氫核在極高的溫度和壓力條件下，可以突破原子核之間的庫侖勢壘而相互接近，當原子核間的距離小于10fm 時，原子核開始受到核力的作用。在核力的作用下，兩個原子核會相互碰撞，融合形成更重的核，如氦核和一些中子。在反應過程中，原子核會損耗一部分質(zhì)量，而這部分質(zhì)量將按照愛因斯坦質(zhì)能方程，轉(zhuǎn)化為極為可觀的能量[1]。

2.可控核聚變的應用前景

可控核聚變具有一些其他能源不可比擬的優(yōu)勢：一是原料來源豐富；二是核聚變的過程及其產(chǎn)物均不會對環(huán)境造成污染；三是與其他核反應相比，核聚變是安全可靠的。可以說，核聚變的應用前景非常廣闊。科學家需要深入研究核聚變體系的特征，分析核聚變的技術挑戰(zhàn)，不斷完善聚變技術，降低聚變能的利用成本，使核聚變的應用更加廣泛。

2.1 目前面臨的問題

目前面臨的問題主要是商業(yè)應用價值低。

（1）能量輸入。在應用核聚變發(fā)電時，能量的利用效率是一個十分重要的問題，聚變體系輸出能量的大小、持續(xù)時間、體系的穩(wěn)定性，都會影響能量的利用效率。首先，為了達到核聚變的點火條件，人們必須輸入足夠多的能量。此外，設備維護成本、原料成本也是非常高的，商用核聚變至少應該使輸出能量與輸入能量的比值達到10。在中國，科學家目前能達到的能量比僅為3。所以，要想將核聚變應用于商業(yè)場景，就要提高聚變體系的能量利用效率[2]。

（2）持續(xù)時間。目前，在多數(shù)磁約束和慣性約束體系中，約束時間僅為幾分鐘，遠遠達不到核聚變的商用要求。要將聚變反應應用于發(fā)電，電能的輸出必須是穩(wěn)定而持久的，這也是目前科學家們研究的重要方向之一。

2.2 可控核聚變在能源領域的應用前景

2.2.1 可控核聚變的優(yōu)勢

核聚變被眾多科學家譽為“終極能源”。與常規(guī)能源相比，核反應產(chǎn)生的能量要可觀得多。同時，核聚變的原料非常豐富，氘氚反應的主要原料氘和氚在海洋中有廣泛的分布。此外，與裂變相比，聚變是一種更清潔的能源。核聚變反應只會產(chǎn)生少量的核廢料，聚變過程中產(chǎn)生的氦可以被重新利用。在成熟的反應體系中，合理控制氚增殖劑的量，有助于保證氚增殖的效率和聚變的自持。也就是說，可以通過核聚變，再次產(chǎn)生原料氚，實現(xiàn)原料的循環(huán)。此外，核聚變過程中的核輻射是十分微弱的，僅用一張白紙，即可阻擋聚變產(chǎn)生的射線，因此，聚變輻射的處理難度是比較低的。

2.2.2 可控核聚變的應用

目前，我國在可控核聚變領域投入了大量人力、物力，力圖解決能源問題。這是因為，中國的化石燃料儲量非常有限。此外，在化石燃料的燃燒過程中，會釋放大量有毒有害的氣體。近年來，我國逐漸嘗試用電能替代化石燃料，為機動車供電。國家大力推廣可以充電的、效率更高的新能源汽車，希望能夠部分地解決能源和環(huán)境問題。但我國的很多地區(qū)本就面臨著電力供應不足的問題，如何通過不同的方式保證電能的供應，是有關部門面臨的重要問題。其中，核能尤其是核聚變的利用，將有效地解決這一問題。綜合應用核聚變發(fā)電、水力發(fā)電、潮汐發(fā)電、風能發(fā)電等發(fā)電方式，能夠基本解決能源問題和環(huán)境問題[3]。

同時，將聚變能源應用于航空領域，能夠極大地提升航天器的性能，提高航天器的發(fā)射速度、延長航天器的飛行時間，這將為人類的星際旅行和深空探索提供更多的機會。

2.2.3 可控核聚變的研究進展

（1）ITER。國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER），是一個美國、歐盟、俄羅斯、日本、中國、韓國、印度七國（集團）共同參與的計劃。它是集合了目前最為前沿的核聚變技術和研發(fā)成果的磁約束核聚變研究項目。ITER 采用超導托卡馬克技術，以鎢為第一壁材料，投入產(chǎn)出比已達到10。

可以說，ITER 是一項極具現(xiàn)實意義的研究，它驗證了可控核聚變實驗的可行性。目前，科學家已經(jīng)基本解決了ITER 建設過程中的工程技術問題，但他們?nèi)悦媾R著眾多挑戰(zhàn)。各國在積極參與ITER 計劃的同時，努力在國內(nèi)自主研究核聚變反應堆，中國的CFETR 便是一個很好的例子[4]。

（2）EAST。先進實驗超導托卡馬克（EAST）是由中國科學家獨立設計建造的全世界首個超導托卡馬克，它誕生于2006 年。2017 年7 月3 日，EAST 實現(xiàn)了101.2s 穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，打破世界紀錄，標志著中國的磁約束核聚變技術進入世界前列，這一事件對深入研究核聚變的穩(wěn)態(tài)運行具有重要的意義。同時，對EAST 的研究，帶動了一系列關鍵技術的突破，推動了我國核聚變技術的發(fā)展。

2.3 可控核聚變在軍事領域的應用前景

核聚變在軍事中也有著廣泛的應用。中國在1967 年6 月17 日成功引爆了第一顆氫彈。繼氫彈之后，人類又研制出三相彈，即以鈾為外殼，放能過程為裂變—聚變—裂變的氫彈。可以說，三相彈具有原子彈和氫彈的雙重威力。在未來，核聚變將為軍隊提供必要的能源。此外，核聚變產(chǎn)生的高能量射線，可以用于干擾敵方通信。

可控核聚變將被用于對目標進行精確的打擊。核武器所產(chǎn)生的核威懾，將提高大國之間發(fā)生戰(zhàn)爭的代價，有效阻止戰(zhàn)爭的爆發(fā)。

3.結(jié)語

可控核聚變具有清潔、高效以及其他諸多優(yōu)勢，它將引發(fā)能源領域的下一次技術革命?？梢哉f，如果一個國家掌握了可控核聚變技術，那么它在能源領域就不會受制于人，贏得更多獨立自主發(fā)展的權利。同時，核聚變理論的不斷完善，無疑會催生大量的新技術，促進科技的發(fā)展。不過，核聚變絕對不是人類探索能源的終點，它甚至只是人類邁向更廣闊的未知領域的第一步。未來，人類對科學技術的更高要求以及對未知世界的不斷探索，都需要大量的能源作支撐?？梢哉f，人類的能源需求將呈幾何式增長。在人類不毀于自身因素的條件下，核聚變能夠做到的，可能也只是解決人類數(shù)千年甚至數(shù)百年的能源問題，科學家必須不斷尋找新的能源、不斷完善現(xiàn)有的能源利用技術，才能讓科技更好地為人類社會服務。