核聚變可用于核電站發(fā)電嗎

近期，南華早報(bào)報(bào)道了一條消息，引起了國(guó)內(nèi)外網(wǎng)友的廣泛關(guān)注。據(jù)報(bào)道，我國(guó)工程物理研究院院士彭先覺(jué)宣布，中國(guó)計(jì)劃在2028年實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。這一消息讓人們感到震驚，因?yàn)榕硐扔X(jué)院士是我國(guó)著名的原子核物理學(xué)專(zhuān)家，曾參與過(guò)我國(guó)第一代和第二代核武器的設(shè)計(jì)，他的言論不容忽視。

然而，需要注意的是，核聚變技術(shù)一直以來(lái)都是全球科學(xué)界追求的目標(biāo)，但至今尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。核聚變是一種能源產(chǎn)生方式，通過(guò)將輕元素聚合成更重的元素釋放出巨大能量。如果我國(guó)真的能夠成功掌握核聚變技術(shù)，并在2028年實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，將無(wú)疑是一項(xiàng)具有重大意義的突破。

核聚變作為一種清潔、高效的能源形式，具有巨大的潛力。不少網(wǎng)友甚至直言：掌握這項(xiàng)技術(shù)，豈不是可以稱(chēng)霸地球了？

核聚變是什么？它為何有這么大的作用？

核聚變與核裂變

近年來(lái)，各國(guó)一直在尋找一種可持續(xù)的清潔能源來(lái)替代污染嚴(yán)重的化石能源。如地?zé)崮艿饶茉炊即嬖谝欢ǖ南拗茊?wèn)題，于是人們就把主意打到了核能身上。

目前利用核能的方式分為兩種：核裂變和核聚變，它們是兩種不同的核反應(yīng)過(guò)程。在核裂變過(guò)程中，一個(gè)重原子核（如鈾-235或钚-239）吸收一個(gè)中子，使得原子核變得不穩(wěn)定。隨后，原子核會(huì)分裂成兩個(gè)較輕的原子核，同時(shí)釋放出兩到三個(gè)中子和大量的能量。這些中子可以繼續(xù)引發(fā)其他核裂變反應(yīng)，形成一個(gè)連鎖反應(yīng)。

核裂變是用于核能發(fā)電和核武器的基本原理。在核武器中，通過(guò)迅速釋放大量的能量，可以造成巨大的爆炸威力。而在核能發(fā)電廠中，通過(guò)控制核裂變反應(yīng)的速率，可以產(chǎn)生足夠的熱能來(lái)轉(zhuǎn)化水為蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。然而，核裂變的反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高放射性廢料，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的安全儲(chǔ)存和處理。

核聚變是將輕元素核（如氫、氘、氚等）聚合成更重的核的過(guò)程。常用的燃料是氘（D）和氚（T），它們是氫的同位素。當(dāng)氘和氚的原子核融合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氦原子核和一個(gè)高能中子，并釋放出巨大的能量。核聚變是太陽(yáng)和其他恒星內(nèi)部的主要能源來(lái)源。在太陽(yáng)的核心，氫原子核通過(guò)聚變反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氦原子核，并釋放出巨大的能量。這種過(guò)程產(chǎn)生的能量使得太陽(yáng)能夠持續(xù)地發(fā)光和產(chǎn)生熱量。因此核聚變技術(shù)也被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。與核裂變不同，核聚變不會(huì)產(chǎn)生高放射性廢料，而其燃料（如氫、氘）相對(duì)較為豐富。因此人類(lèi)一直在努力實(shí)現(xiàn)人工核聚變，以期能夠利用這種高效且清潔的能源形式。

兩種核反應(yīng)的主要不同點(diǎn)在于，核裂變是將重核分裂成兩個(gè)較小的核，而核聚變是將輕核聚合成更重的核。此外，核裂變需要使用重核作為燃料，而核聚變需要使用輕核作為燃料。在能量釋放方面，核裂變和核聚變都可以釋放大量的能量，但核聚變的能量密度更高，可以產(chǎn)生更多的能量，是理想的清潔能源。然而，實(shí)現(xiàn)核聚變并不容易。

擺在面前的技術(shù)難關(guān)

核聚變需要將氫等輕元素加熱到極高的溫度（數(shù)千萬(wàn)度），使其變成等離子體并保持足夠的密度和穩(wěn)定性，以確保反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行。但是，高溫等離子體非常不穩(wěn)定，容易受到熱流和磁場(chǎng)等因素的擾動(dòng)。高溫等離子體與反應(yīng)堆壁面的相互作用會(huì)導(dǎo)致等離子體的能量損失和壁面的磨損，這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)的不穩(wěn)定性和設(shè)備壽命的降低。因此控制等離子體的穩(wěn)定性是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

目前具有閉合磁力線(xiàn)的磁場(chǎng)（因?yàn)閹щ娏Ｗ又荒苎卮帕�線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）是最可能實(shí)現(xiàn)控制的選擇。從20世紀(jì)40年代末起，各國(guó)就陸續(xù)開(kāi)發(fā)了多種磁籠途徑，每年投入不下于10億美元，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，然而各國(guó)幾十年來(lái)從未有過(guò)實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。直到20世紀(jì)70年代蘇聯(lián)科學(xué)家制造出了"托卡馬克"裝置。

托卡馬克是目前是最為成功的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置之一。它的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)環(huán)形的真空室，其中包含氫等輕元素燃料，以及產(chǎn)生高溫等離子體所需的加熱器和磁場(chǎng)裝置。因?yàn)?strong>托卡馬克裝置需要在真空環(huán)境中進(jìn)行核聚變反應(yīng)，以避免氣體分子的干擾和能量損失。因此它有一個(gè)真空室，通常采用環(huán)形設(shè)計(jì)，內(nèi)部涂有反射材料，以減少能量的損失。

托卡馬克裝置通過(guò)加熱器將氫等輕元素加熱到數(shù)千萬(wàn)度的溫度，使其形成等離子體。隨后利用磁場(chǎng)和等離子體之間的相互作用來(lái)控制等離子體的位置、密度和溫度等參數(shù)。在托卡馬克裝置中，等離子體會(huì)在磁場(chǎng)中形成環(huán)形的穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)被稱(chēng)為“托卡馬克狀態(tài)”。在等離子體達(dá)到足夠高的溫度和密度后，氫等輕元素會(huì)發(fā)生核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生大量的能量。這些能量就可以用來(lái)產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)并產(chǎn)生電力了。

看起來(lái)很容易實(shí)現(xiàn)是不是？其實(shí)不然。要想能夠投入實(shí)際使用，必須使得輸入裝置的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸出的能量才行，稱(chēng)作能量增益因子——Q值。而這個(gè)Q值幾十年都未能突破1。直到1997年，日本采用氘－氘反應(yīng)，Q值才突破1，達(dá)到了1.25，證明了托卡馬克理論上可以真正產(chǎn)生能量。各國(guó)先后增加投入入場(chǎng)，然而現(xiàn)在的托卡馬克裝置離工業(yè)應(yīng)用還差得遠(yuǎn)，按現(xiàn)有技術(shù)水平，一個(gè)托卡馬克裝置的造價(jià)高達(dá)幾千億美元，這是不可能被接受的。

這么說(shuō)來(lái)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變似乎還有很長(zhǎng)的路，為何我國(guó)院士說(shuō)我們即將實(shí)現(xiàn)？

聚變—裂變

彭先覺(jué)院士的研究并不是純粹的聚變技術(shù)，而是聚變-裂變技術(shù)，它利用微型聚變反應(yīng)的快中子來(lái)轟擊天然鈾、釷等低放射性元素，從而引發(fā)裂變反應(yīng)，再將其用于發(fā)電。因此，雖然有一些標(biāo)題黨的味道，但這仍然是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)突破。

彭先覺(jué)院士采用的是Z箍縮技術(shù)（Z-FFR），它先進(jìn)行微型聚變反應(yīng)，再引發(fā)裂變反應(yīng)，從而產(chǎn)生可控的核反應(yīng)。如果在反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，只需要切斷聚變的高壓和高溫，就能讓整個(gè)混合反應(yīng)終止，這樣就避免了類(lèi)似福島、切爾諾貝利等事故的發(fā)生。此外，由于使用的是天然鈾、釷等低放射性元素作為燃料，產(chǎn)生的核廢料將遠(yuǎn)少于純粹的核裂變反應(yīng)，處理起來(lái)也更為簡(jiǎn)單。

盡管彭先覺(jué)院士的研究是聚變-裂變技術(shù)，但這一技術(shù)的突破仍然具有重要意義。聚變-裂變技術(shù)可以利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子來(lái)引發(fā)裂變反應(yīng)，從而達(dá)到發(fā)電的目的。相比于傳統(tǒng)的核裂變技術(shù)，聚變-裂變技術(shù)能夠使用更為安全的燃料，產(chǎn)生的核廢料也更少，處理起來(lái)更加簡(jiǎn)單。這一技術(shù)的發(fā)展對(duì)于未來(lái)的能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)都具有重要的意義。

雖說(shuō)真正的可控核聚變還未掌握，但僅僅這10%的應(yīng)用，已經(jīng)讓人們看到了核聚變的發(fā)電的潛力。尤其是這次實(shí)現(xiàn)的聚變—裂變，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核能利用效能的飛躍。一旦真正掌控核聚變，人類(lèi)的歷史將登上一個(gè)新的高峰，而目前我們已經(jīng)看到了曙光。

ITER項(xiàng)目

2005年，國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目（ITER）正式確定，準(zhǔn)備以超托卡馬克裝置為藍(lán)本，建立世界上第一個(gè)試驗(yàn)用的聚變反應(yīng)堆。所謂超托卡馬克裝置就是把傳統(tǒng)的托卡馬克裝置的線(xiàn)圈換成超導(dǎo)體，以解決大電流和損耗問(wèn)題。目前中、日、法、俄都有各自的大型超托卡馬克裝置，但唯有中國(guó)的EAST能給ITER提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)樗�的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的技術(shù)與規(guī)劃中的ITER完全一樣，性能和技術(shù)遠(yuǎn)超其他三國(guó)。

2023年，4月12日，位于中國(guó)合肥的EAST裝置創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，這意味著我們離真正掌控可控核聚變又近了一步。核聚變技術(shù)一旦成功，那將催生出新的能源革命。人類(lèi)不僅可以用它當(dāng)做能源造福全人類(lèi)，而且也能將其作為飛船能源，真正解決太空中的能源問(wèn)題。可以想到，未來(lái)我們完全可以借此在太空中建立生態(tài)圈，開(kāi)啟浩浩蕩蕩的宇宙殖民時(shí)代，星辰大海觸手可及！

目前我國(guó)在可控核聚變技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位；聚變—裂變混合反應(yīng)堆已經(jīng)讓我們看到可控核聚變的曙光，這是我國(guó)的一小步，卻是人類(lèi)的一大步。期待中國(guó)可控核聚變電站早日誕生，讓我們每個(gè)人都能享受的科技進(jìn)步帶來(lái)的福利。