论文部分内容阅读
设想一下，如果我们突然拥有了取之不尽的高效清洁能源，那该是多么令人激动的事情。法国罗讷河口省卡达拉舍正在开工兴建的ITER（国际热核聚变实验反应堆），可能就会帮助我们实现这个“世界和平”的梦想。
从裂变核能到聚变核能
核能我们并不陌生，原子弹、大亚湾核电站，以及日本地震时闹得的沸沸扬扬的核危机，都是利用核裂变的能量，即通过把大质量原子比如铀核“打碎”来释放能量，短时间集中释放可以作为武器，缓慢释放则可以用作和平的能源。可惜的是，核裂变能源效率虽高，却后患无穷，即使没有地震威胁，产生的废料也带有強烈的放射性，在上万年的时间内都无法有效处理干净。而且铀矿资源也是有限的，无法支持人类社会长期发展。所以对核聚变能源的追求也就应运而生了。
核聚变，顾名思义与核裂变相反，就是把小质量的两个原子核合并成一个大质量的原子核，在这个过程中获得能量，而且这种能量效率比核裂变更高，也更清洁。实际上，我们每天接收到的太阳光，就来自于太阳内部时刻在进行的核聚变反应。太阳以其巨大的质量产生的引力，在核心处将原子核紧紧地压在一起，处在极端的高温高压状态（密度是水的150倍，温度超过1000万度，处于等离子体状态），能够通过一系列的核反应，将4个氢核变成一个氦核，这样的反应在太阳核心每秒钟要进行大约1038次，有426万吨的质量被转化为能量。
但在地球上，我们却找不到这样强大的“引力容器”来获得高温高压的等离子体，而根据英国科学家劳森在1957年的计算证明，只有温度和密度都足够高并维持一段时间，才能够开启稳定的核聚变。在此之前，地球上只有两种方式能够实现核聚变，一种是氢弹，利用原子弹爆炸的威力在核心瞬时实现核聚变，这显然只能用于破坏而不能用于建设；另一种方式则是在反应堆或加速器中，利用高速粒子轰击，偶尔能实现一两次核聚变，这种方式的效率显然太低了，而且无法实现能量输出。如何在地球上满足劳森判据，需要把人类目前的技术条件发挥到极致。
从托卡马克到ITER
1958年，美国、英国和苏联决定共享此前一直被他们视为“国家机密”的核聚变技术，共同攻克这个技术难关。经过比较，其中获得优先研究的是苏联的托克马克实验反应堆，即通过强大的磁场约束，不断地注入能量，将温度提升到1亿-1.5亿度，相当于太阳核心温度的10倍！在这样的高温高压条件下，使氘和氚核（即带有1个和2个中子的氢元素核）发生聚变反应。
核聚变的困难在于容器的建设，常规材料无法承受如太阳核心般的高温，人们只能寻求物理学工具来帮忙。迄今为止，在引力约束之外，人们对于如何约束等离子体并达到高温，提出了多种方式，比如激光约束（用强激光束加热并维持等离子体）、磁场约束。其中占上风的磁场约束又有多种设计方案，比如建造成各种不同的形状：雪茄形、8字形或是别的什么，最终人们还是选择了圆形。苏联物理学家萨哈罗夫和塔姆设计的托卡马克是现在的主流，在1968年成功实现将一团等离子体加热到高达1000万度，并维持稳定状态3毫秒以上。
为了产生1亿-1.5亿度的高温，托卡马克是名副其实的“电老虎”，即使是小型的实验装置，耗电功率也如同一座中等城市。1997年英国JET装置实现了在2秒多时间内产生了16兆瓦的核聚变能量输入，只是输入功率却高达25兆瓦！法国的另一台装置环流器在2003年实现了保持无核聚变稳定状态6分30秒。前路依然漫长，但这些进展依然让科学家们欢欣鼓舞。ITER的任务书中设计的目标并不高，只是在6分40秒的持续时间内，以50兆瓦的输入功率得到500兆瓦的核聚变能量输出。而根据估计，要达到工业应用标准，效率至少还得提高5倍，持续运行时间得长达数月，全天候运行。从这一点来看，ITER名副其实是一座“实验性”的反应堆。
争议缠身，但前景光明
ITER是现代科学和工业需求共同催生的巨无霸，它的运行时间长达30年甚至50年，由于一再推迟，其预算也从50亿欧元飙升到150亿美元，由数十个国家提供。但如今，某些国家的财政状况堪忧。
更多的争议还是来自科学方面。环形托卡马克的建设是基于等离子体的稳定性，然而这种由电子和原子核组成的高温状态的物质维持稳定是很困难的。在太阳中我们看到了各种不稳定现象——喷发、漩涡、翻滚，在实验室等离子体的表面同样存在。将来的应用中还必须有效地抽取能量，这种干扰对于等离子体的稳定性影响如何还未可知。
建设反应堆所需要的材料的研发和选择，也将是一个重要的难题，它必须能够承受高温高压，以及超高能粒子流的长时间冲击。
事实上，科学界公认的一点是：第一代聚变反应堆肯定价格不菲，且本世纪内无法广泛应用，以至于有笑话说“核聚变能源是未来能源……它永远都是”。不过相对于使用木柴和石油燃料的历史，人类对于核科学的研究还不到100年，对核聚变的研究也才50年，我们仍有足够的理由期待科学家给我们带来“世界从此和平”的美好消息。
从裂变核能到聚变核能
核能我们并不陌生，原子弹、大亚湾核电站，以及日本地震时闹得的沸沸扬扬的核危机，都是利用核裂变的能量，即通过把大质量原子比如铀核“打碎”来释放能量，短时间集中释放可以作为武器，缓慢释放则可以用作和平的能源。可惜的是，核裂变能源效率虽高，却后患无穷，即使没有地震威胁，产生的废料也带有強烈的放射性，在上万年的时间内都无法有效处理干净。而且铀矿资源也是有限的，无法支持人类社会长期发展。所以对核聚变能源的追求也就应运而生了。
核聚变，顾名思义与核裂变相反，就是把小质量的两个原子核合并成一个大质量的原子核，在这个过程中获得能量，而且这种能量效率比核裂变更高，也更清洁。实际上，我们每天接收到的太阳光，就来自于太阳内部时刻在进行的核聚变反应。太阳以其巨大的质量产生的引力，在核心处将原子核紧紧地压在一起，处在极端的高温高压状态（密度是水的150倍，温度超过1000万度，处于等离子体状态），能够通过一系列的核反应，将4个氢核变成一个氦核，这样的反应在太阳核心每秒钟要进行大约1038次，有426万吨的质量被转化为能量。
但在地球上，我们却找不到这样强大的“引力容器”来获得高温高压的等离子体，而根据英国科学家劳森在1957年的计算证明，只有温度和密度都足够高并维持一段时间，才能够开启稳定的核聚变。在此之前，地球上只有两种方式能够实现核聚变，一种是氢弹，利用原子弹爆炸的威力在核心瞬时实现核聚变，这显然只能用于破坏而不能用于建设；另一种方式则是在反应堆或加速器中，利用高速粒子轰击，偶尔能实现一两次核聚变，这种方式的效率显然太低了，而且无法实现能量输出。如何在地球上满足劳森判据，需要把人类目前的技术条件发挥到极致。
从托卡马克到ITER
1958年，美国、英国和苏联决定共享此前一直被他们视为“国家机密”的核聚变技术，共同攻克这个技术难关。经过比较，其中获得优先研究的是苏联的托克马克实验反应堆，即通过强大的磁场约束，不断地注入能量，将温度提升到1亿-1.5亿度，相当于太阳核心温度的10倍！在这样的高温高压条件下，使氘和氚核（即带有1个和2个中子的氢元素核）发生聚变反应。
核聚变的困难在于容器的建设，常规材料无法承受如太阳核心般的高温，人们只能寻求物理学工具来帮忙。迄今为止，在引力约束之外，人们对于如何约束等离子体并达到高温，提出了多种方式，比如激光约束（用强激光束加热并维持等离子体）、磁场约束。其中占上风的磁场约束又有多种设计方案，比如建造成各种不同的形状：雪茄形、8字形或是别的什么，最终人们还是选择了圆形。苏联物理学家萨哈罗夫和塔姆设计的托卡马克是现在的主流，在1968年成功实现将一团等离子体加热到高达1000万度，并维持稳定状态3毫秒以上。
为了产生1亿-1.5亿度的高温，托卡马克是名副其实的“电老虎”，即使是小型的实验装置，耗电功率也如同一座中等城市。1997年英国JET装置实现了在2秒多时间内产生了16兆瓦的核聚变能量输入，只是输入功率却高达25兆瓦！法国的另一台装置环流器在2003年实现了保持无核聚变稳定状态6分30秒。前路依然漫长，但这些进展依然让科学家们欢欣鼓舞。ITER的任务书中设计的目标并不高，只是在6分40秒的持续时间内，以50兆瓦的输入功率得到500兆瓦的核聚变能量输出。而根据估计，要达到工业应用标准，效率至少还得提高5倍，持续运行时间得长达数月，全天候运行。从这一点来看，ITER名副其实是一座“实验性”的反应堆。
争议缠身，但前景光明
ITER是现代科学和工业需求共同催生的巨无霸，它的运行时间长达30年甚至50年，由于一再推迟，其预算也从50亿欧元飙升到150亿美元，由数十个国家提供。但如今，某些国家的财政状况堪忧。
更多的争议还是来自科学方面。环形托卡马克的建设是基于等离子体的稳定性，然而这种由电子和原子核组成的高温状态的物质维持稳定是很困难的。在太阳中我们看到了各种不稳定现象——喷发、漩涡、翻滚，在实验室等离子体的表面同样存在。将来的应用中还必须有效地抽取能量，这种干扰对于等离子体的稳定性影响如何还未可知。
建设反应堆所需要的材料的研发和选择，也将是一个重要的难题，它必须能够承受高温高压，以及超高能粒子流的长时间冲击。
事实上，科学界公认的一点是：第一代聚变反应堆肯定价格不菲，且本世纪内无法广泛应用，以至于有笑话说“核聚变能源是未来能源……它永远都是”。不过相对于使用木柴和石油燃料的历史，人类对于核科学的研究还不到100年，对核聚变的研究也才50年，我们仍有足够的理由期待科学家给我们带来“世界从此和平”的美好消息。