請(qǐng)查收“造太陽”邀請(qǐng)函！核聚變何以成為能源“終極方案”？

12月14日，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院與國際熱實(shí)驗(yàn)堆ITER（世界最大的“人造太陽”項(xiàng)目）總部，在法國卡達(dá)拉奇簽署協(xié)議，宣布新一代人造太陽“中國環(huán)流三號(hào)”面向全球開放，邀請(qǐng)全世界科學(xué)家來中國集智攻關(guān)，共同追逐“人造太陽”能源夢(mèng)想。這對(duì)探索未來聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經(jīng)濟(jì)性、可行性，加快實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義。

“人造太陽”實(shí)現(xiàn)能源自由

“人造太陽”被認(rèn)為是解決人類能源和碳排放問題的一種“終極方案”，因此俗稱“人造太陽”的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)展備受市場關(guān)注。它模擬太陽的核聚變反應(yīng)釋放能量，其運(yùn)行原理就是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高密度、溫度，使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。

核聚變又稱核融合或聚變反應(yīng)，是將兩個(gè)較輕的原子核相互碰撞形成較重的原子核，同時(shí)在這個(gè)過程中釋放出大量的能量。需要注意的是，此過程并沒有遵循物質(zhì)守恒原理，聚變的原子核部分物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為光子。

理論上，原子都能轉(zhuǎn)化成能量，正如愛因斯坦最著名的質(zhì)能方程所描述的那樣：E=mc2。核聚變過程中的質(zhì)量（m）差會(huì)以能量（E）的形式釋放出來。由于光速（c）非常大，因此即使非常小的質(zhì)量也能轉(zhuǎn)化為非常巨大的能量。在發(fā)生核聚變時(shí)，兩個(gè)帶有正電荷的原子核會(huì)相互排斥，需要提供一個(gè)足夠的原始能量，才能使它們克服庫倫斥力從而緊密地結(jié)合在一起。恒星的能量就是通過核聚變而來，比如太陽。

核聚變最關(guān)鍵的是點(diǎn)火

需要提及的是，核聚變的原料氘在海水中儲(chǔ)量豐富，但是原料氚則比較缺乏，一個(gè)可能的解決辦法是利用核聚變本身產(chǎn)生的氚。

聚變反應(yīng)堆可以分為慣性約束聚變反應(yīng)堆和磁約束聚變反應(yīng)堆。美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置（NIF）就是一種慣性約束聚變反應(yīng)堆。體育場大小的NIF能精確地對(duì)多束強(qiáng)大的激光進(jìn)行引導(dǎo)、放大、反射和聚焦，讓它們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)射向一個(gè)只有厘米大小的空心圓柱體，被稱為腔靶。在腔靶中有一顆非常小的燃料丸，僅胡椒粒大小，而燃料丸的原料是氫同位素氘和氚。

利用核聚變最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是核聚變點(diǎn)火。那么，什么是核聚變點(diǎn)火呢？核聚變點(diǎn)火是指聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或大于輸入能量的時(shí)刻。在聚變反應(yīng)堆中，當(dāng)核聚變點(diǎn)火成功，聚變反應(yīng)就會(huì)釋放出一些α粒子。這些粒子會(huì)加熱等離子體，釋放出更多的α粒子，最終形成一個(gè)能夠自我維持的反應(yīng)。

核聚變是更為安全的核反應(yīng)方式

談到核聚變，我們不得不提及另一個(gè)與核相關(guān)的反應(yīng)——核裂變，又稱核分裂。核裂變是指較重的原子分裂成較輕原子的一種核反應(yīng)形式。原子彈以及裂變核電站或核能發(fā)電廠的能量來源都是核裂變。比如，鈾原子加熱后放出中子，中子再去撞擊其他原子，從而形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而自發(fā)裂變。但是，核裂變有燃料熔化的風(fēng)險(xiǎn)，并且會(huì)產(chǎn)生輻射，而核聚變則沒有這些缺點(diǎn)，是更為安全的核反應(yīng)方式。近幾十年來，核聚變一直是能源領(lǐng)域的“圣杯”，具有極大的發(fā)電潛質(zhì)。

相比化石燃料石油、煤炭、天然氣等，核聚變不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體，無需依賴于所需自然資源的可用性。目前，核聚變被認(rèn)為是最清潔、低碳、低風(fēng)險(xiǎn)、低廢棄物、可持續(xù)和可控的。但是，要想進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，核聚變還有許多其他需要克服的問題，接下來的研究重點(diǎn)是如何能提高效率。在核聚變成為一種可行的能源，并真正投入廣泛應(yīng)用之前，我們還有很長的路要走。

（第一作者系西北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，第二作者系西北師范大學(xué)研究生）