核能，核聚变，受控核聚变，碳达峰，碳中和，双碳目标，清洁能源。

力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，是党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。

为了实现“双碳”目标，加快推动绿色低碳发展，加速传统能源行业的转型还要靠技术创新。而被人们俗称为“人造太阳”的受控核聚变，有望为人类提供近乎无限的清洁能源。

一、核聚变能源的诱人前景

能源与人类的生存密切相关，它是提高人民生活水平，发展世界文明和征服自然的物质基础。如果我们正视现实，那就不得不承认，我们正面临着前所未有的能源危机。

目前广泛使用的能源主要是煤、石油和天然气，但是这些化石燃料的储量十分有限，可供使用的时间已屈指可数，据估计用不了100年即将耗尽而不能再生！因此能源危机绝不是危言耸听，开发利用新能源已是迫在眉睫的任务了。

所谓能源危机包括两方面：枯竭和污染。关于新能源的开发，目前除太阳能之外，最有发展前途的当属核能。

大家知道，核能有“裂变能”和“聚变能”两种。

裂变能是指重元素（如铀、钍等）的原子核在分裂过程中所释放的能量。目前世界上所有核电站都是利用裂变能进行发电的。

裂变能的优点是少量原料就可产生巨大的电能（百万千瓦核电机组一年只用一火车皮的铀燃料），不排放污染气体二氧化碳，不存在对石化燃料的依赖。但是其最大的缺点是可能对周围环境产生放射性污染，所产生的核废料有放射性，会长期对环境造成污染。并且核反应堆一旦失控还会引发灾难性后果。1986年的切尔诺贝利核电站事故造成9.3万人患癌死亡，前苏联15万平方公里的地区受到严重污染，专家估计彻底消除该事故的后遗症约需800年。

同样也存在资源有限的制约。全球目前已建成以原子核裂变能量发电的核电站达到440多座。世界核电发电量已占电力总发电量的17％，不少国家已占20％、30％以上。立陶宛占80％、法国已占78％。在世界范围内核电的发展仍在继续。

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。最常见的核聚变是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核（如氦）而释出能量。

核聚变较之核裂变有几个重大优点：

首先，核聚变原料充足。

在自然界中，氢的同位素氘和氚是最容易实现聚变反应的核素。

作为核聚变原料，氘在地球上的含量相当丰富。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。按目前世界能量的消耗率估计，地球上蕴藏的核聚变能可用100亿年以上。现在从海水中提炼氘的技术有的国家包括我国已经掌握，问题是核聚变过程如何控制并且把热量引出来进行发电，目前还有一些复杂的技术问题没有解决。一旦解决，整个世界能源问题就彻底解决，也就是能源问题得到终结了。

其次，核聚变反应安全可靠。

核聚变堆的聚变反应需高达上亿摄氏度的超高温条件，如果温度达不到反应条件或某一环节出现问题，反应就会自动终止，而不会产生其他破坏性的影响。聚变反应只能在这种极端条件下发生，因此不可能出现“失控”链式反应。此外，核聚变反应依赖燃料的连续输入，一旦终止，核聚变反应几秒内就停止了，因此该过程本质上是安全的。

最后，核聚变生产应用无污染。

在氘氚核聚变过程中主要产生氦，氦没有污染性，不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，也不产生任何有毒气体或者温室气体。因此，通过核聚变产生的能源，不仅是一种无限的能源，还是一种清洁的能源。

不过，对于人类而言，作为一种产能方式，核聚变虽然近乎完美，却还是有一个缺点。那就是，实在太难掌控了！

原子弹试爆成功9年后，人类就掌控了核裂变的能量，并用于发电。而人类自1952年第一颗氢弹试爆成功开始，就踏上了可控核聚变的研究之路，可直到60多年后的现在，依然无法掌控这种巨大的能量之源。

这难道是因为核聚变物理学家没有核裂变研究者们聪明吗？

当然不是，实在是因为控制核聚变这件事太难。

二、利用核聚变能源难在“可控”

要把核聚变时放出的巨大能量作为人类的能源，必须对剧烈的聚变核反应加以控制，因而称为受控核聚变。

实现受控核聚变的首要条件是需要极高的温度。

两个氘核的聚变反应，温度必须高达一亿摄氏度；对于氘核与氚核间的聚变反应，温度必须在五千万摄氏度以上。

怎样才能达到这一高温呢？

利用原子弹爆炸时产生的高温可以引起氢核聚变，氢弹就是根据这一原理制造出来的。

遗憾的是,氢弹是一种不可控制的核爆炸，要使轻核聚变产生的巨大能量能为人类服务，就必须人为地控制聚变反应才行。一旦可控，优势惊人，潜能无限。

在可控核聚变领域，有个著名的“50年悖论”，即在科技界的预言中，距离实现可控核聚变永远只有50年。这很形象地说明了实现可控、可持续的核聚变“难于上青天”。

那么，轻核聚变反应能否加以人为的控制呢？

实现受控聚变反应的两大途径:“磁约束”和“惯性约束”

世界上许多国家的科学工作者都在积极地研究受控热核反应的理论与技术问题。

目前的受控核聚变研究，主要是沿着热核聚变的途径进行。将聚变所用的氘加热至上亿度，使整个氘燃料呈电中性，由带正电的氘离子和带负电的电子所组成的一团混合物，这样的混合物被称为物质第四态的高温等离子体。

这样的聚变反应方法使人很容易想到生炉子的道理：要想让炉里的煤燃烧，首先必须点燃足量的煤，使它们发出的热除了弥补散失的热量外尚有富余，这样煤才能越烧越旺。

还有一个引发受控反应的必要条件，就是要对参与反应的燃料等离子体气团施以足够的压力和混合聚集，也就是对它们加以必要而充分的约束。因为在1亿度的高温下，等离子体中的粒子速度可高达每秒1千公里以上。如果不加约束，这些等离子体会在瞬间逃之夭夭。

为了保证反应的持续进行，这种高温高密的等离子体气团还必须能维持足够长的时间，这就需要找到一个“容器”，并且利用约束手段将高温高密的等离子体约束起来，不让它损坏容器。

50多年来对热核聚变的研究，不外乎沿着“磁约束”和“惯性约束”两大途径进行。

磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。

20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展，托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径。

上图：“托卡马克”型磁场约束法。

托卡马克又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”，高温产生的等离子体就被约束在类似于面包圈的磁笼中。托卡马克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。

上图：托马克内部的电流和磁场。

惯性约束与磁约束不同，实际上对等离子体不加约束。而是利用粒子的惯性，在它们来不及跑散之前就发生聚变反应，以取得足够的能量。众所周知的氢弹爆炸就是采用了惯性约束，不过氢弹是靠原子弹引爆的，而人类目前还无法加以控制，于是就改用其它高功率物质（如激光、电子束、离子束）来轰击一颗颗微小的氘氚燃料丸，将它极其快速地压缩和加热，这实际上是一颗颗微型氢弹爆发。

上图：惯性约束核聚变。

受控聚变反应和受控裂变反应的实际研究都是从20世纪50年代初开始的，时至今日，核裂变反应堆或发电站早已比比皆是，而受控核聚变的和平利用却无一实现。

当然，困难从来不是科学家停止探索的理由。多年来，受控热核聚变研究一直高温不退。且听下回分解！

三、“人造太阳”的昨天、今天和明天

从上面的介绍可知，科学家们研究的可控核聚变装置，原理类似太阳利用核聚变发光发热的过程，只是约束的方式不同。因此，可控核聚变装置也被称为“人造太阳”。可以想象，在地球上造出一个“太阳”是何等艰难——不仅要耐得住上亿摄氏度的高温，还要求等离子体密度足够大、在有限空间里被约束足够长时间。目前，国际上受控热核聚变研究的主要项目有以下几个：

（一）国际热核试验反应堆计划

20世纪中叶，科学家研制出了一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。这种名为“托卡马克”（Tokamak）的装置，为可控核聚变技术的突破打开了一扇大门。

Tokamak一词是俄文单词环形（тороидальная）、空腔（камера）、磁（магнитными）和线圈（катушками）的缩写。从托卡马克的名字，我们也可以猜到，提出这个装置构想的人是苏联人，所以苏联建成了世界上第一个托卡马克装置T-1（1958年）也就很顺理成章了。

1965年，苏联正式发表了T-1的第一批实验结果，这本应是个爆炸性的大事件，没想到却遭到了以西方为主导的科学界冷处理。

当时美、苏正处于冷战时期，美国核聚变界一股脑扎进了仿星器（一种麻花状的可控核聚变装置）的研究之中，认定所谓的托卡马克以及它可以达到的数据都是苏联的骗局，并不相信。

1968年，T-1的第二批实验结果出来了，远远好于当时世界上其他所有核聚变研究装置的实验数据。

为了证明自己数据的真实性，苏联人邀请了英国科学家独立地诊断、测量参数。没想到，英国人测出来的数据比苏联人自己测出来的还高。

这开启了聚变研究的托卡马克时代，从此全世界都开始遵循这条道路前行。

同一时期，物理学家将爱因斯坦的“受激辐射”理论变成现实，激光出现了。这一重大发明有力推动了相关技术的发展，也使可控核聚变研究有了一种新手段——惯性约束核聚变。

上图：激光的出现，使可控核聚变研究有了一种新手段——惯性约束核聚变。

惯性约束核聚变是用高功率激光束均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸，通过烧蚀等离子体产生的压力在极短时间内把氘氚等离子体压缩到极高的密度和温度，从而引起核聚变反应。美国国家点火装置（NIF）就是基于惯性约束核聚变原理。

目前，磁约束核聚变与惯性约束核聚变被认为是实现可控核聚变的两种重要方式。

上世纪90年代，美欧日先后做了三个大的托卡马克装置（美国1982年建成了TFTR、欧洲1983年建成了JET、日本1985年建成了JT-60），都能在三五秒钟的时间内维持核聚变反应，且可重复。这意味着，科学上的可行性在实验中得到了验证。

不过，整体而言，不论是经济投入和科学难度，核聚变研究都是一项难度太高的项目，不是单个国家能独立承担得起的。比如日本1985年4月8日运行的JT-60，就耗资了2300亿日元，这相当于153亿人民币。注意，这可是人民币购买力还没有缩水的将近40年前的153亿。于是，在核聚变研究领域，人们开始寻求国际合作的可能性。

当时美苏还在冷战中，但一致认为需要展现一下“大国风范”，双方共同想到的可以合作的项目就是磁约束聚变研究。于是1985年，两国联合欧、日，一起发起了“国际热核聚变实验反应堆”计划（International Themonuclear Experiment Reactor Project；简称“ITER计划”）

不过ITER计划启动没几年，苏联自己先遭遇了“裂变”，随后退出了研究。而美国因为经济衰退，以及昔日竞争对手的缺席，以这项研究过于烧钱为由，先是缩减预算，后来干脆也直接退出。反而是一开始在ITER中没那么核心的欧日坚持了下来。

到2006年，中美同时加入（相差一天）ITER，随后俄韩印也宣布加入，一个全新的“ITER计划”就此诞生。

不过，之后因为种种原因，计划又被一再延期。

目前，参与ITER的国家已经超过了三十个。这三十多个国家，人口占了世界一半以上，财富的占比则在80%左右。一个科技项目能联合如此巨大的力量，堪称人类历史上的一个创举。

ITER目前还处于建设阶段。2020年7月28日，ITER正式进入最后五年组装阶段。截至2021年5月，第一等离子体的完成率接近75%，并将于其后数年开始尝试启动反应堆，预计于2025年正式开始等离子体试验。

国际热核聚变试验反应堆中的托卡马克装置是一个直径超过12米、容积达837立方米的环形容器，里面环绕着超导电磁线圈。环形托卡马克装置外部的磁体能产生强烈的螺旋型磁场，能够约束热核聚变中产生的超高温等离子体。

为了打造这一巨大的磁性笼子，国际热核聚变试验反应堆项目需要超过10000吨的铌合金制成的超导线圈，并且要用低温液态氦气来降温。

ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，拥有可靠的科学依据并具备坚实的技术基础。

国际上对ITER计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，经过示范堆、原型堆核电站阶段，可在本世纪中叶实现聚变能商业化。ITER计划的实施结果，将决定人类能否迅速地、大规模地使用核聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程。因此，其意义和影响十分重大。（未完待续，部分图片来自网络）

[1] 奇云. 可控核聚变:人类的终极能源[J]. 世界科学, 2010(10):20-22.

[2] 奇云. 冷核聚变实用化:大突破还是大骗局[J]. 科技潮, 2011(12):58-63.

备注：

以上参考文献，是作者早年发表在科学期刊上的与本文相关的文章。有兴趣者可到国内外相关数据库浏览、下载文献全文。