您是否曾想过，太阳如何在约1.5亿公里的距离外温暖您甚至灼伤您的皮肤？核聚变。 核聚变是如此强大，以至于您可以在如此遥远的距离上，都能感受到它释放的能量。 - 01 - 1920年，阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)提出，氢与氦的聚变可能是让太阳持续燃烧的关键。另一位天才欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford），在实验室里实现了氘与氦的聚变反应，从而确定了核聚变反应释放的巨大能量。 核聚变释放出的能量，比化学反应（例如燃烧）多一百万倍。当前核聚变技术的主要资源是氘和锂。锂用于增殖另一种核聚变燃料氚。打个简单的比方，一个普通笔记本电脑电池中锂元素和半浴缸水中的氘元素，通过核聚变产生的发电量，相当于燃烧40吨煤产生的电量。 - 02 - 恒星聚变的秘密 在两个轻核融合并释放能量的过程中，需要跨越一个巨大的障碍-库仑势垒。按照库仑定律，两个带电粒子在不同的尺度上相互吸引或排斥。两个带有正电荷的原子核在彼此接近时，会异常强烈地相互排斥。要克服这种库仑势垒，唯一的办法是迫使这两个原子核以巨大的速度相互碰撞。在原子尺度上，速度就是温度。 一次性核聚变反应释放的能量虽然足够多，但仍不足以点亮城市，更不用说点亮一颗遥远的恒星了。因此，还要关注另一个重要的量，即碰撞率或碰撞概率。如果原子核在高温下运动通过其他原子核的“稠密海洋”，则碰撞速率相应会较高，并且在一定的时间段内会发生众多反应。 总之，像太阳这样的恒星，其核心内部温度约1500万K，内部压力约为地球大气压的2650亿倍，可轻而易举地实现核聚变。也就是说，当温度和粒子密度（与压力成正比）的乘积在一定时间段内足够大，就可以实现显著的聚变反应速率。 图1：氘与氚聚变反应的示意图。 两个原子核聚变成一个亚稳态的氦-5原子核，随后衰变为一个中子和一个氦-4原子核，每个反应释放17.6兆电子伏的总能量。 - 03 - 只是模仿一颗恒星的核心——没什么大不了的，对吧？ 也许你太天真了。 地球上尚无法模拟太阳核心呈现的核聚变条件，无论是温度还是压力，我们都无法在足够长的时段内同时做到这两者。 在全球科学家的共同努力下，目前确定了实现核聚变的两条技术路径。 第一条技术路径是通过脉冲激光产生的冲击波，来产生巨大的压力和温度，我们称之为惯性约束聚变。 迄今为止，惯性约束聚变路径还远远没有产生净能量，因为激光系统的最大功率输出约为1.8 MJ，对应的最大功率消耗约为500TW，相比之下，获得的聚变能量仅为15 kJ，仅占输入能量的0.8％。显然，我们的目标是产生一个显著高于输入能量的输出量。 第二条技术路径称为磁约束聚变。 此路径的重点是温度和持续时间。磁性约束装置所需和所能达到的粒子温度比太阳核心高十倍。这是因为磁约束聚变装置通常在真空条件下操作，反应室内的压力为5×10（-6次方）mbar。 现在让我们想象一下，一束比太阳核心还热的粒子，与石头、金属、耐火陶瓷或任何其他已知物质接触时会发生什么？是的，这些物质都会蒸发。因此，必须用强大的磁场约束这些极热的粒子，使它们实际上不会碰到任何“墙壁”。 聚变反应堆内部 技术上最成熟的磁约束聚变概念装置是托卡马克（tokamak），一种环形反应室，带有两组电磁线圈，用于约束热粒子，即等离子体。这是苏联物理学家在1950年代发明的。 环形磁场线圈把等离子体粒子的运动轨迹约束在反应室内部空间中，同时通过一组中央螺线管放电，通过感应原理将电流引入等离子体中。该电流对于扭转粒子轨迹是必不可少的，可以防止粒子缓慢漂移出受限体积内。 等离子体的加热是通过中子束注入和射频加热实现的。目前的聚变能输出相对于能量输入的世界纪录，是由欧洲联合环形加速器（JET）在1997年获得的，约60％。 图2：托卡马克磁约束原理示意图。 环形磁场线圈会在反应器内建立一个强磁场（绿线），以捕获磁场线上的带电粒子。内部极向磁场线圈用于将电流感应到等离子体中，从而扭转磁场线（黄色），以防止粒子向外漂移。 另一个更优雅但技术上还不太成熟的磁聚变约束概念是仿星器架构。在仿星器架构中，通过用复杂的3D形状的线圈替换简单的环形场线圈，取消了对中央磁场线圈的需要。 目前，德国格赖夫斯瓦尔德的Wendelstein 7-X设施正在研究这种仿星器架构的可行性。仿星器在技术上还不够成熟，因为它们本不是为氘-氚聚变反应而设计的，它们首先需要证明磁约束这一概念是否值得进一步研究。 德国格赖夫斯瓦尔德的Wendelstein 7-X仿星器架构 - 04 - 从海水，岩石，到电源插座 如您所见，托卡马克架构的能量输出与输入的收支平衡至少是非常接近。然而，对于一个向电网供电的聚变发电厂来说，要实现经济上的可行性，馈入电网的能量应该达到电站投入能量的几到十几倍。 为了证明这种可行性，实验聚变反应堆ITER(拉丁文“道路”)目前正在法国建造。它的第一次等离子放电计划在2025年进行，预计在10年后进入全功率阶段。ITER是一座电站规模的反应堆，其能量输出为500mw。 现在，你可能会问：苏联科学家在20世纪50年代发明了这个概念，为什么要用半个多世纪才能实现核聚变的净能量增益呢?事实上，在核裂变被用于发电的同一年代，托卡马克的概念就被发明了。让我告诉你，毫不夸张地说，1.5亿K高温的等离子是一个高度非线性系统。 具体而言，等离子体参数（密度，温度）或磁场配置的任何改变都可能对其他特性（例如反应室壁上的热沉积曲线）产生人们不愿看到的影响。等离子体物理学家，材料科学家和工程师携手合作，正在逐步解决了可控核聚变作为能源输出所面临的所有挑战。 - 05 - 最近的一些技术突破，比如超导体，使得磁场更强，可以更好地约束粒子。然而，强约束只是这个可控核聚变难题的一部分。 核聚变反应产生的热量和氦灰需要被抽取出来。之所以使用氦灰这个术语，是因为氘和氚会融合成氦核，而氦核在等离子体中没有进一步的用途，需要被移除，以便腾出空间让新的氘和氚发生聚变反应。 电站规模的聚变反应堆排热，也是其中的关键问题之一，给材料科学家和工程师带来了巨大的挑战。只有具有极高熔点、高导热性和耐受高能粒子轰击的坚固性材料才适合这种应用。 图3：JET内部反应室在运行前（左）和运行中（右）的视图。 热等离子体在可见光谱中几乎不发射辐射。反应器内壁用面向等离子体的材料（即用于JET的铍和钨）保护。 虽然前途艰险，路漫且长，但是坚信长风破浪会有时，直挂云帆济沧海！ 当可控核聚变发电的梦想最终实现时，核聚变将为未来几个世纪的可持续和清洁能源经济做出贡献。