无限清洁能源——畅想可控核聚变的美好明天|原子核|核聚变|核裂变|等离子体|辐射

核聚变是为恒星提供动力的引擎，也是能源技术的“圣杯”。一个工作状态下的聚变反应堆，可以为世界提供几乎无限的能源，安全且没有有毒的副产品。虽然我们掌握了热核聚变的氢弹技术，但如何将瞬间爆发的巨大能量，像核裂变一样控制为人类能够利用的层次，我们依旧在缓慢探索中。可控核聚变之路任重而道远，一旦实现，人类社会将会发生天翻地覆的变革，或许星际旅行不再是梦想。

那什么是核聚变，它是如何工作的呢?

核裂变和核聚变

在讨论核聚变之前，先来看看核裂变。核裂变是核聚变的对立面，它是原子分裂的过程。当原子通过放射性衰变或核链式反应(核弹)分裂时，将会释放出大量的能量和电离辐射。核电站利用裂变能源为世界上11%的人口提供电力。

核裂变

核聚变是将两个及以上原子结合在一起，创造新元素的过程。当结合发生在两个质量低于铁的原子核上时，这个过程会产生大量的能量。当原子两两结合产生铁元素时，因为铁元素具有吸收电磁能量的特性，聚变过程实际上要消耗能量。这也是大质量恒星消亡的主要原因，当一颗恒星内部聚变而诞生铁时，就会引发宇宙中最壮丽的烟花——超新星爆炸。

核聚变

我们当前讨论的核聚变，泛指能产生能量的轻质原子核聚变，通常指氢的聚变。原子核的行为方式可能与我们的直觉相悖。当试图将原子聚合在一起时，一旦它们足够接近，强大的核力就会将它们粘在一起，形成新的元素。当两个原子粘在一起并融合成新的物质时，它们会释放出大量的能量。由于氢原子带相同的电荷，当它们靠近时就会相互排斥。这有点像打篮球——如果你想将篮球投入篮筐里，需要将球用力向篮筐方向扔出去。一旦球具备合适的飞行轨迹，它便会应声入网。

更大、更重的原子的聚变原理略有不同。它们仅仅是把自己聚集在一起，最轻微的不稳定就会分裂成碎片，从而释放出能量，这就是我们所说的放射性，比如我们通常说的核弹爆炸，利用的就是铀元素的裂变反应。这种效应产生的热量可以使水沸腾，从而转动涡轮机为核电站发电。

融合方式

核聚变研究已经进行了几十年，虽然进展缓慢，但近年来还是取得一些不错的进展。虽然有近12种不同的方法来实现核聚变，但目前有两种设计是领先的，也是实现可控核聚变的最大希望，这就是惯性约束聚变和磁约束聚变。

惯性约束聚变

惯性约束聚变也可以称之为激光聚变。世界上最强大的激光器启动后，通过计算机系统聚焦发射，通过增益放大将目标瞄准到一个微小的点上。目标通常是一颗小小的氘氚球(10毫克)。激光撞击小球的速度和能量如此之大，以至于它可以压缩小球，这个过程发生得非常快(10^-7至10^-8秒)，在原子分散之前瞬间提升温度，形成强大的压力，从而将产生的等离子体束缚压缩，促成它们发生聚变反应。这就是惯性约束聚变这个名字的由来。

一旦氘氚球团达到一定的压力和温度，就达到了“点火”条件。点火是球团开始连锁反应的前置条件，原子聚变导致内容物开始熔化，从而产生大量的能量。一个10毫克的氘氚球团聚变反应释放的能量相当于燃烧一桶油。

这些小球本身是氘和氚的一对一混合物，它们都是氢的同位素。在地球上，氘的供应几乎是无限的，它可以从各种形式的水中蒸馏出来，每升海水中含有33毫克的氘。而氚的储量则极其稀少，氚是一种快速衰变的放射性氢元素，在自然界中极其罕见。全球氚的总储存量约为20千克，但可以利用中子撞击核聚变反应堆包层壁中的锂，批量生产氚。

虽然实验性的激光聚变确实能点火，但问题是输入的能量比输出的要多。激光器的能量要求是相当严苛的，如果将全球现有的点火装置集中起来，需要将聚变产生的能量提高50倍，才能达到收支平衡。另一个问题在于，如果激光击中了弹丸，而小球没有被压缩和均匀加热，不仅会面临浪费巨大能量的同时，还有可能根本无法点火。

磁约束核聚变

磁约束核聚变在实现核聚变的过程，使用了难以置信的强磁场来挤压、加热和控制过热的等离子体。等离子体在一个环形的反应堆中循环运动，在强磁场的加成下，不断产生过热等离子体。在某些情况下，电流、微波、中性束注入和射频加热也会用于等离子体的加热过程。加热的目标是使等离子体达到尽可能高的温度来触发核聚变，这个温度需要达到或超过1.5亿摄氏度。

在两种类型的聚变设计中，磁约束是比较成熟的技术，也可能是第一个实现净能量增益的聚变技术，然而并不代表我们掌握了聚变的整个过程。为了达到维持聚变所需的温度，等离子体必须得到精确控制。但过热的等离子体很难控制，试图控制它就像把水放在掌心，然后把水塑造成一个形状。把等离子体放在想要的位置，以想要的方式，并且不让它碰到反应堆壁，是物理学家面临的最大挑战之一。

等离子体中的杂质以及电磁场的不稳定性也会阻碍聚变的发生。当然，还存在中子破坏聚变反应堆壁的风险。核聚变导致中子轰击金属壁，使金属变得脆弱，虽然有利于氚的生成，但不利于保护昂贵的聚变反应系统。

未来可期

正如本文的标题一样，核聚变有可能为我们提供几乎无限的能源。然而，好处还不止于此。为反应堆提供聚变原料的来源很广，氘可以大量从海水中蒸馏，仅仅只需要很少的原料，便能满足我们生活所需。聚变反应堆产生的辐射也比我们生活在地球上所经历的自然背景辐射要少。全球近70%的能源来自燃煤、石油和天然气。由于聚变不涉及燃烧，所有污染空气的废物几乎一夜之间就消失了。虽然聚变反应堆会产生一些核废料，但与典型的裂变反应堆产生的废料相比，这些废料是微不足道的。核聚变产生的废料也不是高风险武器级材料。由于产生的少量放射性废物，只会在50年内保持危险的放射性，大大提升了处置效率。