核聚變——這種無(wú)須燃燒化石燃料，也不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命的放射性廢物的核反應(yīng)方式，它的優(yōu)點(diǎn)是清潔、安全。幾十年來(lái)，無(wú)數(shù)人都憧憬著通過(guò)核聚變徹底擺脫能源不足的困境。今天，我們離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)或許近在咫尺。

在過(guò)去的46億年里，太陽(yáng)依靠足夠多的氫源源不斷地聚變產(chǎn)生能量，這些能量從太陽(yáng)核心到達(dá)太陽(yáng)表面 （光球?qū)樱?，并以電磁波的形式奔向太空。在經(jīng)歷了約8分鐘的旅行后，太陽(yáng)釋放出的能量只有約1/20億被地球獲取。雖然這個(gè)比例如此渺小，但總量依然驚人——地球每秒從太陽(yáng)那里獲取的能量相當(dāng)于400萬(wàn)噸石油完全燃燒釋放的能量。

太陽(yáng)核聚變的本質(zhì)

在太陽(yáng)核心，巨大的質(zhì)量創(chuàng)造出極端的溫度和壓強(qiáng)環(huán)境，迫使原子核相互高速碰撞。一旦碰撞的能量突破庫(kù)侖勢(shì)壘，原子核融合在一起，聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就被啟動(dòng)。在氫聚變成氦的過(guò)程中，會(huì)有約0.7%的質(zhì)量虧損，這部分質(zhì)量以能量的形式輻射出去，這部分虧損的質(zhì)量就是核聚變的巨大能量來(lái)源。

不可控核聚變

把發(fā)生在太陽(yáng)核心的核聚變反應(yīng)搬到地球上，結(jié)果之一就是熱核武器（ 即氫彈） 。世界上當(dāng)量最大的熱核武器當(dāng)屬蘇聯(lián)的“沙皇炸彈”，其爆炸讓距離爆心170千米外的人被熱風(fēng)灼傷，220千米外的人視神經(jīng)受損，甚至讓歐亞大陸產(chǎn)生了幾毫米的位移。這股摧枯拉朽橫掃一切的力量，僅僅來(lái)自2噸氘化鋰。更讓人驚嘆的是，聚變反應(yīng)只釋放了這2噸氘化鋰全部能量的0.7%。

為什么核聚變釋放的能量遠(yuǎn)超化學(xué)反應(yīng)？首先，原子中超過(guò)99.94%的原子質(zhì)量都存在于原子核中，這意味著原子核蘊(yùn)含了一顆原子的絕大部分能量。其次，核聚變的基礎(chǔ)是強(qiáng)力，而化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)是電磁力，在相同距離的前提下，前者的強(qiáng)度是后者的約137倍。

在地球上造太陽(yáng)

氫彈的核聚變反應(yīng)需要通過(guò)原子彈的內(nèi)爆，為核聚變反應(yīng)創(chuàng)造起始條件，但這種利用方式是不可控的。因此，科學(xué)家希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)可控核聚變。

可控核聚變反應(yīng)堆，也被科學(xué)家稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”，是照亮人類(lèi)未來(lái)的終極能源夢(mèng)想。太陽(yáng)內(nèi)部的極高溫度（超過(guò)1500萬(wàn)℃） 和極端壓強(qiáng)環(huán)境會(huì)自然誘發(fā)核聚變。但人類(lèi)在地球上很難復(fù)制太陽(yáng)內(nèi)部的極端壓強(qiáng)環(huán)境和巨大的物質(zhì)量，為了給予聚變材料足夠高的動(dòng)能，讓它們突破庫(kù)侖勢(shì)壘，就需要達(dá)到超過(guò)1億℃的高溫。此外，我們還需要精細(xì)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的壓強(qiáng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度，使反應(yīng)物足夠穩(wěn)定，延長(zhǎng)聚變反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，從而讓反應(yīng)堆持續(xù)輸出能量。

托卡馬克

1954年，蘇聯(lián)建造出了第一個(gè)磁約束裝置——托卡馬克 （Tokamak） 。托卡馬克也叫環(huán)流器，是一個(gè)包含封閉強(qiáng)磁場(chǎng)的“容器”，在這個(gè)容器中，帶電的等離子體粒子會(huì)沿封閉的磁力線(xiàn)做螺旋式運(yùn)動(dòng)。就這樣，不需要任何有形物體的承載，幾億攝氏度高溫的等離子體就可以被托舉在半空中進(jìn)行加熱。

我國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的國(guó)際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置——“東方超環(huán)”（ 簡(jiǎn)稱(chēng)EAST） ，近年來(lái)頻頻刷新最好成績(jī)。2023年4月，“東方超環(huán)”實(shí)現(xiàn)了高功率穩(wěn)定的403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模式等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)高約束模式運(yùn)行新的世界紀(jì)錄。東方超環(huán)將不可能化為可能，因?yàn)樵谒鼉?nèi)部，同時(shí)承載著1億℃ （等離子體） 的超高溫和-269℃ （超導(dǎo)體） 的超低溫，而兩個(gè)極端溫度之間的最短距離僅為1.2米。2023年8月，我國(guó)“環(huán)流三號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)了100萬(wàn)安培等離子體電流下的高約束運(yùn)行模式，標(biāo)志著我國(guó)磁約束核聚變裝置運(yùn)行水平邁入國(guó)際前列。

國(guó)家點(diǎn)火裝置

2022年12月，美國(guó)科學(xué)家在國(guó)家點(diǎn)火裝置中通過(guò)聚變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)凈能量增益，也就是輸出的能量超過(guò)了輸入的能量。國(guó)家點(diǎn)火裝置的激光設(shè)施跟一個(gè)體育場(chǎng)的大小差不多，但是真正的反應(yīng)區(qū)只有橡皮擦大小。192束激光將2.05兆焦耳的能量輸入到“橡皮擦”中，四面八方均勻射入的高能激光束持續(xù)壓縮并最終引爆靶丸，產(chǎn)生一個(gè)小的聚變“熱點(diǎn)”，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量輸出。這種聚變反應(yīng)方式對(duì)激光光源的穩(wěn)定性和更換靶丸的速度提出了極高的要求。

1千克反應(yīng)物通過(guò)核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變（ 用于核電站發(fā)電） 的4倍，是同等質(zhì)量的煤燃燒所釋放能量的400萬(wàn)倍。理論上，只需要指甲蓋兒這么大一塊的反應(yīng)物進(jìn)行聚變反應(yīng)，就能提供一個(gè)普通人約60年生活所需要的全部能量。

2023年12月，“可控核聚變”入選“2023年度十大科技名詞”?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，到2050年左右，人類(lèi)有可能真正使用上核聚變能源。無(wú)限清潔能源之夢(mèng)，有望在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)成為現(xiàn)實(shí)。