核聚變 | 人類未來的清潔能源

　　王雷編譯

　　核聚變能夠在一定條件下（如超高溫和高壓），通過氫和氦等輕元素的結合釋放出巨大的能量。這是一種核反應的形式，在宇宙中核聚變可以作爲太陽和恆星的動力。如果核聚變能夠在地球上使用，它可以產生取之不盡的清潔能源。核聚變能夠以海水爲主要原料，沒有溫室氣體的排放和放射性物質的擴散，也沒有發生災難性事故的風險。

　　衆所周知，今天的核電站主要利用核裂變技術進行發電，將重金屬元素（如鈾、釷和鈈）的原子核分裂成更輕的子核。該過程中使用的重金屬元素具有不穩定性，可以自發裂變，導致放射性廢物的污染。

　　那麼，爲什麼我們不使用安全、清潔的核聚變能源呢？儘管在覈聚變研究方面取得了重大進展，但是現有技術仍然很難達到其反應所需的條件。如果科學家能夠創造出解鎖核聚變能量的機器，也許在將來核聚變會被廣泛應用。

　　核聚變過程

　　與核裂變不同，原子核不會自發地進行聚變。原子核是帶正電的，原子必須克服巨大的靜電排斥力才能夠相互接近。在宇宙中，恆星的巨大引力使其核心的溫度、密度和體積足以使原子核克服靜電屏障，通過量子隧道效應（基本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小於勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘）進行聚變。在實驗室中，量子隧道效率太低，因此只能通過加熱燃料核來克服障礙，其熱度一般能夠達到太陽中心熱度的六到七倍。

　　即使是最簡單的聚變反應（例如氫的同位素氘與氚結合形成氦和高能中子）也需要約1.2億的溫度。在這樣的極端溫度下，電子會擺脫原子核的束縛，形成等離子體。等離子體在一個足夠長的時間內發生核聚變並不是一件容易的事，在實驗室中，科學家往往通過強磁場產生的環形磁瓶來捕獲等離子體。

　　核聚變發電站示意圖

　　目前，等離子體實驗已經取得部分進展，例如歐洲聯合圓環（Joint European Torus）可以將等離子體限制在發生核聚變所需的溫度，但是仍然存在侷限性：等離子體密度和能量限制時間（等離子體冷卻時間的量度）太低而不能使等離子體自發地進行核聚變。即便如此，今天的等離子實驗在溫度、等離子體密度和限制時間方面的聚變性能也比40年前提高了1000倍。

　　核聚變領域正在變革

　　目前，科學家正在法國南部的卡達拉什（Cadarache）建造世界上第一個國際熱核聚變實驗反應堆（ITER），繼續探索等離子體實驗。ITER擁有能容納等離子體的巨大容器、困住它的強大超導磁體以及對其進行加熱的精密粒子加速器和微波發生器。

　　ITER成本超過200億美元，由七個國家或國際聯盟資助完成，是目前地球上最大的科學項目。該項目在工程和物理方面的挑戰是巨大的，國際聯盟已將建設任務分配到全球的數百家公司。不過，此項工作的複雜性導致了時間上的延遲和成本的增加。ITER預計將在2020年產生“第一束等離子體”，而等離子體實驗要到2027年纔開始。