羅宇

掌握了核聚變能，人類將實現(xiàn)“能源自由”

煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。如何從根本上解決這一問題？尋找新能源。

萬物生長靠太陽。可以說，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當(dāng)于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。

太陽為什么能產(chǎn)生這么大的能量？因其內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。而支撐這種聚變反應(yīng)的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。

據(jù)測算，從1升海水中提煉出的氘，經(jīng)核聚變反應(yīng)后釋放的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊(yùn)藏著約40萬億噸氘，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。

由此，模仿太陽聚變反應(yīng)原理造一個“太陽”，被科學(xué)家們認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的最佳方案。核聚變的原理是由質(zhì)量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個原子核相互碰撞聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核氦，由于質(zhì)量虧損和質(zhì)能轉(zhuǎn)換，釋放巨大的能量。

“簡單來說，地球上‘最容易實現(xiàn)的氘氚核聚變反應(yīng)的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的?！边@是一種清潔能源，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難，比風(fēng)能和太陽能穩(wěn)定，被認(rèn)為是一種理想的“終極能源”?！耙坏┱莆樟撕司圩兡埽祟悓崿F(xiàn)‘能源自由。”

1.2億攝氏度下的等離子體反應(yīng)

現(xiàn)實中，中國真的有“人造太陽”，近日中國“人造太陽”托卡馬克在1.2億攝氏度下持續(xù)了長達(dá)101秒的等離子體反應(yīng)，創(chuàng)造了核聚變領(lǐng)域的新紀(jì)錄，這一突破可能為碳中和能源的未來鋪平道路。

EAST（實驗先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克）或 HT-7U 是一種定制的聚變反應(yīng)堆，自2006 年以來已分不同階段運(yùn)行。EAST的建造具有十分重大的科學(xué)意義，它不僅是一個全超導(dǎo)托卡馬克，而且具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成使我國成為世界上少數(shù)幾個擁有這種類型超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家之一，使我國磁約束核聚變研究進(jìn)入世界前沿。

在裝置建成后的10～15年期間，能在裝置上對建造穩(wěn)態(tài)先進(jìn)的托卡馬克核聚變堆的前沿性物理問題開展探索性的實驗研究，并使中國在人類開發(fā)清潔而又無限的核聚變能的領(lǐng)域內(nèi)做出自己應(yīng)有的重大貢獻(xiàn)。

EAST的大小半徑只有國際熱核聚變試驗堆（即ITER）的1/3和1/4，位形與ITER相似且更加靈活。EAST是一個近堆芯高參數(shù)和穩(wěn)態(tài)先進(jìn)等離子體運(yùn)行科學(xué)問題的重要實驗平臺，它將是在ITER之前國際上最重要的穩(wěn)態(tài)偏濾器托卡馬克物理實驗基地。

與世界上許多托卡馬克實驗一樣，EAST 之前也曾達(dá)到過聚變。在托卡馬克的球形容器內(nèi)，太陽溫度般熾熱的等離子體，在由過冷電磁體固定在適當(dāng)位置的圓圈中旋轉(zhuǎn)。這個磁場中，3.6億攝氏度等離子體和一堆人造材料融合，不同的原子核粉碎在一起，這需要巨大的能源投資。

2018 年托卡馬克達(dá)到 1.8 億華氏度，即約 8200萬攝氏度，但當(dāng)時，EAST只能維持等離子體反應(yīng)約 10 秒。這還不夠熱，也不夠長，但此次EAST達(dá)到的1.2 億攝氏度和 101 秒肯定是一個紀(jì)錄。

雖然人造太陽的新紀(jì)錄很棒，但距離自我維持的等離子體反應(yīng)或“點火”還有很長的路要走。這可能涉及更高的溫度，并保持更長的時間。至于世界上其他備受矚目的反應(yīng)堆，英國的 MAST 反應(yīng)堆最近成為頭條新聞，其新的排氣系統(tǒng)比其前身減少了 10 倍的熱量。與此同時，全球國際熱核實驗反應(yīng)堆（ITER） 有望建造有史以來最大的托卡馬克，每個實驗反應(yīng)堆都有幫助推動技術(shù)進(jìn)步以幫助其他反應(yīng)堆實現(xiàn)目標(biāo)。

EAST的未來可能涉及ITER、韓國的KSTAR 反應(yīng)堆、MAST 甚至包括托卡馬克研究人員的經(jīng)驗成果，這些研究人員正在消除聚變能的主要障礙。

“人造太陽”1.2億攝氏度成功“燃燒”100秒時，內(nèi)部的紅外影像（中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所供圖）