核聚变 | 人类未来的清洁能源

　　王雷编译

　　核聚变能够在一定条件下（如超高温和高压），通过氢和氦等轻元素的结合释放出巨大的能量。这是一种核反应的形式，在宇宙中核聚变可以作为太阳和恒星的动力。如果核聚变能够在地球上使用，它可以产生取之不尽的清洁能源。核聚变能够以海水为主要原料，没有温室气体的排放和放射性物质的扩散，也没有发生灾难性事故的风险。

　　众所周知，今天的核电站主要利用核裂变技术进行发电，将重金属元素（如铀、钍和钚）的原子核分裂成更轻的子核。该过程中使用的重金属元素具有不稳定性，可以自发裂变，导致放射性废物的污染。

　　那么，为什么我们不使用安全、清洁的核聚变能源呢？尽管在核聚变研究方面取得了重大进展，但是现有技术仍然很难达到其反应所需的条件。如果科学家能够创造出解锁核聚变能量的机器，也许在将来核聚变会被广泛应用。

　　核聚变过程

　　与核裂变不同，原子核不会自发地进行聚变。原子核是带正电的，原子必须克服巨大的静电排斥力才能够相互接近。在宇宙中，恒星的巨大引力使其核心的温度、密度和体积足以使原子核克服静电屏障，通过量子隧道效应（基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒）进行聚变。在实验室中，量子隧道效率太低，因此只能通过加热燃料核来克服障碍，其热度一般能够达到太阳中心热度的六到七倍。

　　即使是最简单的聚变反应（例如氢的同位素氘与氚结合形成氦和高能中子）也需要约1.2亿的温度。在这样的极端温度下，电子会摆脱原子核的束缚，形成等离子体。等离子体在一个足够长的时间内发生核聚变并不是一件容易的事，在实验室中，科学家往往通过强磁场产生的环形磁瓶来捕获等离子体。

　　核聚变发电站示意图

　　目前，等离子体实验已经取得部分进展，例如欧洲联合圆环（Joint European Torus）可以将等离子体限制在发生核聚变所需的温度，但是仍然存在局限性：等离子体密度和能量限制时间（等离子体冷却时间的量度）太低而不能使等离子体自发地进行核聚变。即便如此，今天的等离子实验在温度、等离子体密度和限制时间方面的聚变性能也比40年前提高了1000倍。

　　核聚变领域正在变革

　　目前，科学家正在法国南部的卡达拉什（Cadarache）建造世界上第一个国际热核聚变实验反应堆（ITER），继续探索等离子体实验。ITER拥有能容纳等离子体的巨大容器、困住它的强大超导磁体以及对其进行加热的精密粒子加速器和微波发生器。

　　ITER成本超过200亿美元，由七个国家或国际联盟资助完成，是目前地球上最大的科学项目。该项目在工程和物理方面的挑战是巨大的，国际联盟已将建设任务分配到全球的数百家公司。不过，此项工作的复杂性导致了时间上的延迟和成本的增加。ITER预计将在2020年产生“第一束等离子体”，而等离子体实验要到2027年才开始。