當(dāng)前世界能源危機(jī)形勢嚴(yán)峻，且很多不穩(wěn)定因素皆來自于能源危機(jī)。可控核聚變一旦實(shí)現(xiàn)很多問題都能得到解決。要實(shí)現(xiàn)可控核聚變除了技術(shù)層面也許還會有許多基礎(chǔ)理論上的問題。

今天的核電站通過核裂變發(fā)電，其中原子被分裂。 然而，核聚變涉及結(jié)合原子核以釋放能量。 這與太陽核心發(fā)生的反應(yīng)相同。 但是，克服原子核之間的自然排斥并維持發(fā)生聚變的正確條件并非易事。 幾十年來，以一種產(chǎn)生比反應(yīng)消耗更多的能量的方式這樣做已經(jīng)超出了物理學(xué)中最優(yōu)秀的頭腦的掌握。

建造核聚變反應(yīng)堆

ITER 將成為一個托卡馬克反應(yīng)堆——被認(rèn)為是聚變能的最大希望。 在托卡馬克內(nèi)部，一種氣體，通常是一種稱為氘的氫同位素，受到強(qiáng)烈的熱量和壓力，迫使電子脫離原子。 這會產(chǎn)生等離子體——一種過熱的電離氣體——必須被強(qiáng)磁場控制。

安全殼至關(guān)重要，因為地球上沒有任何材料能夠承受等離子體必須達(dá)到的高溫（100,000,000 C 及以上）才能開始聚變。 它幾乎是太陽核心熱量的 10 倍，托卡馬克需要這樣的溫度，因為太陽內(nèi)部的引力壓力無法重現(xiàn)。

當(dāng)原子核開始融合時，會釋放出大量能量。 雖然目前正在運(yùn)行的實(shí)驗反應(yīng)堆以熱量的形式釋放能量，但在聚變反應(yīng)堆發(fā)電廠中，熱量將用于產(chǎn)生蒸汽，從而驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。

托卡馬克并不是唯一正在嘗試的聚變反應(yīng)堆。 另一種類型的反應(yīng)堆使用激光加熱和壓縮氫燃料以引發(fā)聚變。 2021 年 8 月，位于加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室的國家點(diǎn)火設(shè)施中的一臺此類設(shè)備產(chǎn)生了 1.35 兆焦耳的能量。 這個破紀(jì)錄的數(shù)字使聚變功率更接近凈能量增益，但大多數(shù)希望仍然寄托在托卡馬克反應(yīng)堆而不是激光上。

2021 年 6 月，中國實(shí)驗性先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克 (EAST) 反應(yīng)堆在 120,000,000 C 下保持等離子體 101 秒。 在此之前，記錄是20秒。 最終，聚變反應(yīng)堆需要無限期地維持等離子體——或者在電力需求高峰期至少維持八小時的“脈沖”。

核聚變的一種途徑是使用氫的同位素氘和氚原子。 它們在令人難以置信的熱量和壓力下融合，產(chǎn)生的產(chǎn)品以熱量的形式釋放能量 Getty Images

解決方案是使用由沒有電阻的超導(dǎo)線或“膠帶”制成的高溫超導(dǎo)磁體。 這些磁鐵可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場，并且不會像熱量一樣損失能量。

高溫超導(dǎo)性已為人所知 35 年。 但是，最近才開發(fā)出制造合理熔斷線圈所需長度的膠帶的制造能力。 ITER 的其中一個磁鐵，即中央螺線管，將產(chǎn)生 13 特斯拉的磁場——是地球磁場的 280,000 倍。

ITER 真空容器的內(nèi)壁（將發(fā)生聚變的地方）將襯有鈹，鈹是一種在接觸時不會過多污染等離子體的金屬。 底部是偏濾器，可控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度。

偏濾器上的熱負(fù)荷可能與火箭噴嘴中的一樣大。 火箭噴嘴之所以起作用，是因為你可以在幾分鐘內(nèi)進(jìn)入軌道，而在太空中它真的很冷。在聚變反應(yīng)堆中，偏濾器需要無限期地承受這種熱量，而在 ITER，他們將測試由鎢制成的偏濾器。

與此同時，在美國，國家球形環(huán)面實(shí)驗 – 升級（NSTX-U）聚變反應(yīng)堆將于 2022 年秋季啟動。其優(yōu)先事項之一將是看看在反應(yīng)堆內(nèi)襯鋰是否有助于保持等離子體穩(wěn)定 .

選擇燃料

ITER 將不再使用氘作為聚變?nèi)剂?，而是將氘與氚（另一種氫同位素）混合使用。 氘-氚混合物提供了獲得比投入更多的能量的最佳機(jī)會。聚變能的支持者說，該技術(shù)安全的一個原因是燃料需要不斷地送入反應(yīng)堆以保持聚變的發(fā)生，從而產(chǎn)生 失控反應(yīng)不可能。

氘可以從海水中提取，因此幾乎可以無限供應(yīng)。 但據(jù)認(rèn)為全球僅存在 20 公斤氚，因此必須由聚變發(fā)電廠生產(chǎn)（ITER 將開發(fā)“培育”氚的技術(shù)）。 雖然核聚變工廠會產(chǎn)生一些放射性廢物，但它的壽命約為 100 年，而不是裂變后的數(shù)千年。

位于牛津郡的聯(lián)合歐洲環(huán)面 (JET) 聚變反應(yīng)堆的研究人員將開始他們的氘-氚聚變反應(yīng)。 JET 將幫助 ITER 選擇機(jī)器參數(shù)以優(yōu)化聚變功率。 這些參數(shù)將包括找到氘和氚的最佳組合，并確定在聚變開始之前如何增加磁體中的電流。

JET 奠定的基礎(chǔ)應(yīng)該會加速 ITER 實(shí)現(xiàn)凈能量增益的努力。 ITER 將在 2025 年 12 月生產(chǎn)“第一批等離子體”，并在接下來的十年內(nèi)達(dá)到全功率。 其等離子體溫度將達(dá)到 150,000,000 C，其目標(biāo)是每輸入 50 兆瓦的加熱功率產(chǎn)生 500 兆瓦的聚變功率。

如果 ITER 成功，它將消除大多數(shù)（如果不是全部）對科學(xué)的懷疑，并為技術(shù)開發(fā)騰出資金。 該技術(shù)開發(fā)將是實(shí)際發(fā)電的示范核聚變發(fā)電廠。 ITER 正在開門并說，是的，這行得通——科學(xué)就在那里。