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聚变是宇宙的能量来源,发生在太阳和恒星的核心.
如果人类能够以可控的方式,复制太阳的聚变反应,那会怎么样?这种可控核聚变的愿景,被俗称为“人造太阳”。可控核聚变的终极目标,是让海水中大量存在的氘在高温条件下发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源,替代化石原料和常规核能,且资源耗损远低于太阳能和风力发电。
聚变反应. 图片来自:LLNL
然而,太阳的核聚变靠自身引力提供的重力场约束,我们在地球上无法模仿,与此同时,太阳上的高温高压为聚变反应创造了必要的条件,地球上的聚变反应需要用更高的温度补偿。相关研究从上世纪 50 年代就开始了,困扰科学家的地方在于,聚变反应消耗巨大的能量,如何让产生的能量超过消耗的能量。难上加难的是,能量还得持续稳定地输出,不能昙花一现。12 月 5 日,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,通过“惯性约束聚变”技术,终于实现了“净能量增益”的聚变反应,朝着人造太阳更近了一步。研究人员将 192 束巨型激光射入一个橡皮擦长度的镀金黑腔,强烈的能量将容器加热到超过 300 万摄氏度,容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒。
激光的“靶子”很小,但是“靶室”很大. 图片来自:LLNL
激光不断反射加热,最终产生 X 射线。X 射线剥离了颗粒的表面,引发了类似火箭的内爆,将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能实现的极端,内爆的速度达到每秒 400 公里,导致氘和氚聚变。最终,在持续不到万亿分之一秒的瞬间,激光输入的能量为 2.05 兆焦耳,聚变产生的中子的能量是 3.15 兆焦耳,后者除以前者,能量增益大于 1。可持续电力,还在遥远的未来虽然“净能量增益”的聚变反应已经实现,但想在实验室环境之外实践,甚至投入商用,仍然是路漫漫其修远兮。首先,“净能量增益”只反映了聚变反应本身,为激光供电的 300 兆焦耳并没有被计算进去。从电能到激光的转换效率很低,如果计算输出电能到输入电能之比,能量增益小于 1其次,在能源生产所需的规模上重现这种聚变反应,需要大量的资源。
国家点火装置(NIF),世界上最大和最高能量的激光器. 图片来自:LLNL
以及,将产生的能量部署到电网的机器,工程师们还没有开发出来。所以,核聚变距离商用至少还有十年,也可能是几十年,发电厂更是遥遥无期。目前,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的激光大约每天只发射一次,成本又极高,短时间不可能建立起一个可行的发电厂。在新闻发布会上,劳伦斯·利弗莫尔主任 Kim Budil 表示,发布会代表的是一次聚变点火,但要实现商业核聚变发电,还需要做许多事,其中包括“每分钟产生许多次核聚变点火”。
核聚变的艺术渲染图. 图片来自:LLNL
类似地,核聚变也无法在短时间内投入气候保护。能源技术专家 Julio Friedmann 指出,现在取得的成果非常重要,如果不能实现输出的能量大于输入的能量,就无法成为能量的来源。但它在未来 20-30 年里都不会对气候减排做出有意义的贡献,这就是点火柴和造燃气轮机的区别。要将升温限制在 1.5 摄氏度的“安全线”,我们必须在 2050 年前实现净零排放。依靠核聚变摆脱气候危机,是一个不切实际的梦想。罗切斯特大学教授、激光聚变专家 Riccardo Betti,将核聚变的这次突破,比作人类第一次知道如何将石油提炼成汽油:“你仍然没有引擎,你仍然没有轮胎,你不能说你有车。”人类迈出了一大步,但前面可能还有几千几万步。为了下一代清洁能源,全世界摩拳擦掌在过去的几十年里,许多国家都在推进可控核聚变。上文提到的惯性约束,是实现可控核聚变的两大主流方案之一,另一个是磁约束。事实上,磁约束是目前各国主攻可控核聚变的方向,“托卡马克”装置就是最著名的磁约束核聚变的方法。托卡马克是一种环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制。
《钢铁侠》方舟反应堆就是可控核聚变.
《钢铁侠》的方舟反应堆有些像托卡马克,无论是史塔克工业基地的方舟反应堆,还是钢铁侠战甲胸口的迷你反应堆,都是“磁约束聚变反应堆”。尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外,但我国已经实现了后来者居上,处于世界前沿。建成于 2006 年的中国“人造太阳”EAST,全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置”,又称“东方超环”,由中国科学院等离子体物理研究所建在安徽合肥。2021 年底,EAST 实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行,其间电子温度近 7000 万摄氏度,创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。
EAST.
2020 年 12 月 4 日,由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代“人造太阳”装置建成。今年 10 月,HL-2M 取得了突破性进展——等离子体电流突破 100 万安培。未来,托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行,所以,这次突破也标志着我国距离聚变点火越来越近。
HL-2M.
“人造太阳”是世界极度关注的大科学问题,在下一代清洁能源面前,国与国是利益相关的合作伙伴关系,最具代表性的是 2006 年启动的国际热核聚变实验堆项目。它是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一,中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国参与其中,各国共同造出来的一颗“人造太阳”,是目前世界规模最大的核聚变反应堆,坐落在法国南部卡达拉舍。ITER 本体的组装工作预计于 2025 年结束,在接下来的几年里,ITER 的部件将从各个成员国运输至卡拉达舍。我国作为平等成员方之一,承担了 ITER 建设阶段 9.09% 的工作,并享有 ITER 100% 的技术成果使用权。
ITER 在 2018 年的建设状况.
煤、石油、天然气有枯竭的可能,并带来环境污染;风能、水能、太阳能等受限于天气或地理条件;核裂变所需要的铀、钚等元素储量有限,还会产生放射性。相比之下,可控核聚变技术,是被全人类寄予厚望的未来能源方式,有“终极能源”之称,因为它几乎能一劳永逸地解决能源问题。当它真正投入商用,除了气候效益之外,还可以为贫困地区带来廉价电力。前景是美好的,道路是曲折的,希望在目之所及的未来,能够见证“人造太阳”冉冉升起。
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