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可控核聚变,离人类还有多远?

核反应堆是目前人类使用原子核能量的最成熟技术示范,裂变技术已经发展到第四代,当前,各国建造的三代核电算是较为先进的普及型反应堆,还有更先进的第四代反应堆。裂变技术对于人类而言,我们已经掌握了其基本约束条件,实用化进展正在不断推进,但这并不是核能利用的最高阶。核聚变技术被认为原子核能量应用领域的桂冠,虽然氢弹早就被试验成功,但这是不可控的核聚变技术,如何让核聚变受到约束和控制是当前核聚变研究领域的方向。

宇宙中,恒星产生的能量来自核聚变反应,以太阳为例,每秒钟大约有6.5亿吨氢变成氦,质量亏损释放出巨大的能量。在过去50亿年内,太阳一直通过这个反应释放出大量能量。按照氘-氚聚变方程,我们可以在一升海水中提取出大约30毫克氚,相当于燃烧300升左右的汽油,如果是一座百万千瓦级的核聚变发电站,每年只要消耗300多公斤氚,产生的物质都是清洁的,对环境没有威胁,不像核裂变反应会产生放射性核素。如果核聚变技术成熟并被大规模推广,可以满足未来数十亿年人对能源的需求。

核聚变作为宇宙中最普遍的能量利用形式,人类要想突破行星际的限制而进入恒星际空间,核聚变是必不可少的能量源。但核聚变的研制难度很大,要求相对苛刻,热核聚变产生的等离子体温度和密度极高,要想让核聚变反应自持下去,就需要维持这些极高温等离子体。英国科学家劳逊在1957年就提出了“劳逊条件”,认为等离子体的温度可达到1亿摄氏度,这样才能实现“得失相当”。因为在这样的温度下,参与反应的所有物质都会电离形成等离子体,然后才能利用强磁场对带电粒子进行约束。

在了解核聚变的约束条件后,工程制造上的问题就来了。虽然我们知道等离子体的温度极高,但我们对等离子体产生的湍流行为仍然没有足够的了解,理论模型的缺失导致我们无法预测超高温等离子体。其次是磁场约束,核聚变需要强磁场对等离子体进行约束,这就需要大电流,而电流具有热效应,因此只有超导才能解决这个问题。发展核聚变堆之前,我们还要解决超导线圈的应用,用接近绝对零度的温度来实现超导,进而产生强大的磁场来约束几亿度的超高温等离子体。

这样的工程不仅需要极高的技术含量,还要有庞大的资金支持,国际热核实验堆从1985年开始推进,预计花费100亿美元。目前,国际上几个著名的核聚变试验装置有望在2050年左右发展出较为成熟的核聚变技术,本世纪末,我们有望用上由核聚变产生的电力。2014年,军火巨头洛克希德·马丁公司称已经突破了小型核聚变堆技术,有望在未来10年内安装在军用船舶上,功率为100兆瓦,让我们看到了小型核核聚变反应堆被普及的希望。

(作者:谢顿)

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