可控核聚变，离人类还有多远？

核反应堆是目前人类使用原子核能量的最成熟技术示范，裂变技术已经发展到第四代，当前，各国建造的三代核电算是较为先进的普及型反应堆，还有更先进的第四代反应堆。裂变技术对于人类而言，我们已经掌握了其基本约束条件，实用化进展正在不断推进，但这并不是核能利用的最高阶。核聚变技术被认为原子核能量应用领域的桂冠，虽然氢弹早就被试验成功，但这是不可控的核聚变技术，如何让核聚变受到约束和控制是当前核聚变研究领域的方向。

宇宙中，恒星产生的能量来自核聚变反应，以太阳为例，每秒钟大约有6.5亿吨氢变成氦，质量亏损释放出巨大的能量。在过去50亿年内，太阳一直通过这个反应释放出大量能量。按照氘-氚聚变方程，我们可以在一升海水中提取出大约30毫克氚，相当于燃烧300升左右的汽油，如果是一座百万千瓦级的核聚变发电站，每年只要消耗300多公斤氚，产生的物质都是清洁的，对环境没有威胁，不像核裂变反应会产生放射性核素。如果核聚变技术成熟并被大规模推广，可以满足未来数十亿年人对能源的需求。

核聚变作为宇宙中最普遍的能量利用形式，人类要想突破行星际的限制而进入恒星际空间，核聚变是必不可少的能量源。但核聚变的研制难度很大，要求相对苛刻，热核聚变产生的等离子体温度和密度极高，要想让核聚变反应自持下去，就需要维持这些极高温等离子体。英国科学家劳逊在1957年就提出了“劳逊条件”，认为等离子体的温度可达到1亿摄氏度，这样才能实现“得失相当”。因为在这样的温度下，参与反应的所有物质都会电离形成等离子体，然后才能利用强磁场对带电粒子进行约束。

在了解核聚变的约束条件后，工程制造上的问题就来了。虽然我们知道等离子体的温度极高，但我们对等离子体产生的湍流行为仍然没有足够的了解，理论模型的缺失导致我们无法预测超高温等离子体。其次是磁场约束，核聚变需要强磁场对等离子体进行约束，这就需要大电流，而电流具有热效应，因此只有超导才能解决这个问题。发展核聚变堆之前，我们还要解决超导线圈的应用，用接近绝对零度的温度来实现超导，进而产生强大的磁场来约束几亿度的超高温等离子体。

这样的工程不仅需要极高的技术含量，还要有庞大的资金支持，国际热核实验堆从1985年开始推进，预计花费100亿美元。目前，国际上几个著名的核聚变试验装置有望在2050年左右发展出较为成熟的核聚变技术，本世纪末，我们有望用上由核聚变产生的电力。2014年，军火巨头洛克希德·马丁公司称已经突破了小型核聚变堆技术，有望在未来10年内安装在军用船舶上，功率为100兆瓦，让我们看到了小型核核聚变反应堆被普及的希望。

（作者：谢顿）

发表于 2015-06-19 00:00
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