中國的“人造小太陽”首次跨越“億度千秒”大關。距離核聚變發電還有多遠？

2022年12月，人類實現歷史上首次“核聚變點火”，即受控核聚變反應中產生的能量超過了為使反應發生而輸入的能量。此壯舉由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室完成，將我們對核聚變的認知和期待推上另一層次，讓我們可以暢想聚變能作為一種無盡清潔能源的未來。

但在把核聚變技術真正規模化，真正發展成一種安全、實惠、幾乎取之不盡的清潔能源前，必須解決一系列工程難題。

當兩個氫原子，比如一個氘和一個氚，在極端條件下結合為一個氦-4時，聚變反應也就發生了。這種融合所需的極端高溫大概在1億攝氏度——太陽核心的溫度只有1500萬攝氏度。由此，聚變能源基礎設施必須具備承受極端的能力。

在實驗室實現核聚變有兩種方法：使用強激光的慣性約束核聚變，以及使用超強磁鐵的磁約束核聚變。歷史首次點火實驗采用了慣性約束聚變；磁約束聚變則尚未證明其在能源生產方面可以真正做到“輸出不小于投入”。

美國有幾項私人資助的實驗計劃于2030年到來前實現磁約束聚變的能量收支平衡；位于法國的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)也希望在同一時間達成目標。

挑戰重重

無論是慣性約束還是磁約束，聚變技術的商業化之路都面對重重挑戰，而且各種問題會非常難以解決。

例如，研究人員要開發能承受極端溫度和輻射的新材料。又例如，聚變反應堆材料也會因受到高能粒子轟擊而變得具有放射性，鑒于此，我們需要材料被設計得能在幾年時間內衰變至放射性水平足夠低——低到可供人類安全、輕松地處理。

另一項重大挑戰在于如何生產足夠多的燃料并可持續地進行生產。氘儲量豐富，可從普通水中提取；而氚一般通過用中子轟擊鋰來獲取，增加它的產量會困難得多。單個核聚變反應堆每天需要數百克甚至一公斤的氚才能運行。

目前，傳統核反應堆會產生氚——這是裂變的副產物，但不足以維持一批聚變反應堆的運轉。

因此，工程師需要建立起在聚變裝置內部生產氚的能力。

一種可能用到的策略是在聚變反應堆周圍放置含鋰材料，核聚變時從反應堆逸出的中子會轟擊鋰核進而釋放出氚。

另一方面，為擴大慣性約束聚變規模，研究者需要開發能夠每秒多次擊中聚變燃料靶（由冷凍氘和氚組成）的激光設備。目前還沒有足夠功率的激光器能以這般速率工作。此外，由于需要以極為精確的方式將激光引導至目標，對控制系統和算法的要求也會很高。

擴大燃料靶丸的生產規模也至關重要。我們希望看到幾個數量級的提升：從現在每年數以百計的手工制作量和每個靶丸價值數十萬美元，發展到數以百萬計的年產量和幾美元一個的價格。

至于磁約束聚變，有兩大關鍵挑戰：一方面，創建更有效的方法用以加熱和控制等離子體；另一方面，制備更加耐熱和抗輻射的反應堆壁材料，用于加熱和約束等離子體直至聚變發生的技術必須能可靠運行多年。

上述種種挑戰都難度極高，但也并非不可解決。

東方的托卡馬克

2025年1月20日，由中國科學院等離子體所自主設計研制的磁約束核聚變反應堆“東方超環”(EAST)再創新紀錄。這個俗稱“人造小太陽”的全超導托卡馬克裝置在上億攝氏度高溫下維持了長達1066秒的穩態長脈沖高約束模等離子體運行。

磁約束聚變是指基于高溫等離子體的帶電粒子在磁場中做回旋運動的特點，用強磁場約束等離子體于真空室內，使其可控地發生大量原子核聚變反應，釋放能量。如前文所述，磁約束聚變反應堆未曾實現點火，其面對的主要挑戰則包括對等離子體的加熱和控制難題。東方超環的“億度千秒”壯舉顯然證明了這道難題的可解性，雖然短期內還帶不來無限清潔能源，但這是朝未來核聚變發電廠發電邁出的一大步。

以東方超環為代表的托卡馬克是最常見的磁約束核聚變裝置。它加熱等離子體，將其約束于一個環形反應堆室，即托卡馬克之內，并產生超強磁場。中國科學院團隊對反應堆做過多項升級，包括將加熱系統的功率提高一倍。

負責東方超環項目的中國科學院等離子體物理研究所所長宋云濤指出：“聚變裝置至少要達到數千秒量級的高效率穩定運行，才能實現等離子體的自循環，未來的聚變電站源源不斷發電才有可能。”

東方超環收集的數據將支持中國以及國際上其他反應堆的開發升級。值得一提的是，中國也是ITER計劃的重要成員，另外6個成員方包括歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國。

宋云濤表示：“我們希望通過EAST擴大國際合作，使核聚變能源真正造福人類。”

資料來源：

本文轉載自《世界科學》微信公眾號

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