核聚變獲取清潔,、安全,、無(wú)窮無(wú)盡的能量了。圖為核聚變反應(yīng)堆中的等離子體,。" width="340" height="184"/> 如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問(wèn)題,，便能通過(guò)核聚變獲取清潔、安全,、無(wú)窮無(wú)盡的能量了,。圖為核聚變反應(yīng)堆中的等離子體。
核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是如何延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,，二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力。由于核聚變無(wú)法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā),、再成比例地放大,，我們至少還要25年時(shí)間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。
如今，國(guó)際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu),，即國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱ITER，在拉丁語(yǔ)中意為“路”）,，它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量,，每次時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8分鐘。
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,，數(shù)百年以來(lái),，人類一直夢(mèng)想著駕馭太陽(yáng)能，為地球上的生命提供能量,。但我們想實(shí)現(xiàn)的,，不僅僅是利用太陽(yáng)能，而是在地球上造出一個(gè)“迷你太陽(yáng)”,，也就是核聚變,。
如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問(wèn)題，便能通過(guò)核聚變獲取清潔,、安全,、無(wú)窮無(wú)盡的能量了。只要每日從水中提取出一千克的氘（氫的一種同位素）,，產(chǎn)生的電量就足夠成千上萬(wàn)個(gè)家庭使用,。
從上世紀(jì)50年代以來(lái)，科學(xué)與工程研究取得了巨大進(jìn)展,，使我們朝著可持續(xù)的氫原子聚變反應(yīng)又近了一步,。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的核聚變能量雖然很少，但也足以被測(cè)量出來(lái)了,。但懷疑者和支持者都意識(shí)到,，核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是如何延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力,。
普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室的核聚變研究人員指出,，我們至少還要25年時(shí)間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。但考慮到核聚變帶來(lái)的巨大益處,，我們還是要繼續(xù)努力的,。證明核聚變的可行性也許要不了這么久——我們也必須加快步伐，才能在計(jì)劃未來(lái)的能源時(shí)將核聚變納入考慮范圍之內(nèi)。
與太陽(yáng)能,、天然氣與核裂變等其它發(fā)電方式不同,，核聚變無(wú)法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā)、再成比例地放大,。核聚變?cè)趯?shí)驗(yàn)階段就需要大規(guī)模開(kāi)展,，并且相關(guān)設(shè)備也需要花很久來(lái)準(zhǔn)備。但在接下來(lái)的一個(gè)世紀(jì)中,，人類必須設(shè)法獲取充足,、清潔的能源。如果不在核聚變這種最具前景的能源上想辦法,，就未免太愚蠢了,。
但這件事做起來(lái)相當(dāng)困難：由于原子核均帶正電荷，因此會(huì)與彼此相斥,。除非它們以極高的速度運(yùn)行,，才能在相撞時(shí)融合在一起，釋放出我們需要的能量,。這樣的過(guò)程在太陽(yáng)上會(huì)自然而然地發(fā)生,。但在地球上，我們需要用強(qiáng)大的磁鐵來(lái)控制住由帶電的氘,、氚原子核與電子構(gòu)成的超高溫氣體,，也就是我們所說(shuō)的等離子體。等離子體的溫度極高,，超過(guò)1億攝氏度,。在這樣的高溫下，帶正電荷的原子核便能以超高速運(yùn)行,，沖破正電荷產(chǎn)生的排斥力,，與別的原子核融合在一起。
磁場(chǎng)約束。而該磁場(chǎng)的一部分是由等離子體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的,。" width="322" height="325"/>
ITER采用了一種名叫“托塔馬克”（tokamak）的反應(yīng)裝置,，其中的等離子體呈甜甜圈狀，受到強(qiáng)大的磁場(chǎng)約束,。而該磁場(chǎng)的一部分是由等離子體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的,。
我們還需要從四個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢(shì)：其一,，在現(xiàn)有的物理和工程條件下，用計(jì)算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì),。
原子核融合之后會(huì)形成兩個(gè)高能粒子——一個(gè)α粒子（氦原子的原子核）和一個(gè)中子,。要想使等離子體達(dá)到如此高的溫度，就需要在核聚變反應(yīng)開(kāi)始之前,，向反應(yīng)器中提供大量能量,。但反應(yīng)一旦開(kāi)始，核聚變產(chǎn)生的能量就足以維持這一溫度,，多余的熱量則可被我們用來(lái)轉(zhuǎn)化成可利用的電能,。
核聚變所需的燃料在大自然中比比皆是。例如,，水中含有大量的氘,，反應(yīng)器還可以將鋰轉(zhuǎn)化成氚。并且這些原料廣泛分布于世界各國(guó),，不會(huì)受當(dāng)?shù)刈匀毁Y源所限。核聚變是一種清潔的能量來(lái)源,，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體,，產(chǎn)物只有氦氣和中子。
核聚變是一種安全的反應(yīng)過(guò)程,，不可能像核裂變一樣發(fā)生失控,。如果反應(yīng)出現(xiàn)異常，等離子體的溫度就會(huì)下降,，核聚變反應(yīng)也就隨之停止了,。正是由于核聚變具有這樣的特性，數(shù)十年來(lái),，人們才對(duì)其展開(kāi)了不懈研究,，并越來(lái)越被其所吸引。但核聚變雖然益處多多,，對(duì)技術(shù)的挑戰(zhàn)也同樣不容小覷,。核聚變領(lǐng)域取得的進(jìn)展主要可以從兩個(gè)方面進(jìn)行衡量。
首先,，我們對(duì)高溫等離子體有了更深入的了解,。科學(xué)家專門創(chuàng)立了等離子體這一新的物理領(lǐng)域,，研究如何將等離子體限制在強(qiáng)大的磁場(chǎng)中,，后來(lái)還掌握了對(duì)等離子體進(jìn)行加熱、使其保持穩(wěn)定,、控制等離子體內(nèi)部擾動(dòng)的能力,。
其次,，相關(guān)技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步。我們?cè)诖朋w,、電磁波源和粒子束領(lǐng)域都取得了重大突破,，得以用它們來(lái)限制和加熱等離子體。此外我們還研發(fā)出了能夠承受等離子體極端高溫的材料,。
從這一過(guò)程中取得的進(jìn)步來(lái)看,，核聚變商業(yè)化還是有望實(shí)現(xiàn)的。首屈一指的便是在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的核聚變能量：上世紀(jì)70年代,，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的核聚變能量還只有幾毫瓦,，僅僅持續(xù)了幾微秒；但到了90年代,，普林斯頓等離子體實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的能量便達(dá)到了1千萬(wàn)瓦特,，歐洲聯(lián)合科研中心在1秒鐘里產(chǎn)生了的能量更是高達(dá)1600萬(wàn)瓦特。
如今,，國(guó)際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu),，即國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（簡(jiǎn)稱ITER，在拉丁語(yǔ)中意為“路”）,，它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量,，每次時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8分鐘。如果將這些能量轉(zhuǎn)化為電能的話,，足以為15萬(wàn)戶家庭供電,。
在此次實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將對(duì)可持續(xù)核聚變發(fā)電廠可能遇到的關(guān)鍵科學(xué)與工程問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試,。
ITER采用了一種名叫“托塔馬克”（tokamak）的反應(yīng)裝置,，其中的等離子體呈甜甜圈狀，受到強(qiáng)大的磁場(chǎng)約束,。而該磁場(chǎng)的一部分是由等離子體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的,。
雖然ITER是被當(dāng)作研究項(xiàng)目來(lái)設(shè)計(jì)的，不準(zhǔn)備用來(lái)產(chǎn)生電能,，但它產(chǎn)生的核聚變能量將高達(dá)給等離子體加熱所需的5千萬(wàn)瓦能量的10倍,。
這是一次巨大的科學(xué)飛躍。在此次實(shí)驗(yàn)中,，等離子體加熱所需的大部分能量都來(lái)自于核聚變反應(yīng)本身,。參與ITER項(xiàng)目的國(guó)家占了世界上一半的人口：中國(guó)，歐盟,，印度,，日本，俄羅斯,，韓國(guó)和美國(guó),。此次項(xiàng)目就像一份強(qiáng)有力的國(guó)際聲明,，彰顯了我們對(duì)實(shí)現(xiàn)核聚變的迫切需求和莊嚴(yán)承諾。
接下來(lái),，我們的工作主要由兩方面組成,。
首先，我們必須繼續(xù)開(kāi)展對(duì)托塔馬克的研究,。要繼續(xù)促進(jìn)物理和工程領(lǐng)域的發(fā)展,，讓等離子體可以維持?jǐn)?shù)月的穩(wěn)定狀態(tài)。我們還需要研發(fā)能夠高耐熱材料,，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受相當(dāng)于太陽(yáng)表面溫度五分之一的熱量,。此外，我們還要尋找反應(yīng)堆堆芯的屏蔽材料,，吸收反應(yīng)釋放出的中子,。
其次，我們還需要從四個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢(shì)：
1）在現(xiàn)有的物理和工程條件下,，用計(jì)算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì),。
計(jì)算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)應(yīng)為甜甜圈形狀,，運(yùn)行起來(lái)非常穩(wěn)定,，并且能自動(dòng)運(yùn)作數(shù)月之久。在核聚變行業(yè)中,，這種裝置叫做“仿星器”（stellarators）,。
2）研發(fā)磁力更強(qiáng),、體積更小的新型高溫超導(dǎo)磁鐵,，從而減少核聚變反應(yīng)堆的體積和成本。
3）用液態(tài)金屬取代固態(tài)金屬來(lái)約束等離子體,。固態(tài)金屬在接觸等離子體時(shí)可能會(huì)破裂,，而液態(tài)金屬不會(huì)，因此或許能解決這個(gè)棘手的問(wèn)題,。
4）取消甜甜圈狀等離子體中間的空心設(shè)計(jì),，讓等離子體的形狀接近于球形。
在采取上述做法之后,，即使在強(qiáng)度稍弱的磁場(chǎng)中,，實(shí)驗(yàn)裝置也能照常運(yùn)行，或許還能降低反應(yīng)堆的大小和成本,。
如今,，各國(guó)政府紛紛出資，支持上述兩方面的研究,。取得的成果將惠及核聚變能源領(lǐng)域的所有研究工作,，并將進(jìn)一步加深我們對(duì)宇宙中,、以及工業(yè)中的等離子體的理解。而在過(guò)去的10至15年間,，私營(yíng)企業(yè)也加入了這一陣營(yíng),，我們將不斷進(jìn)步，終有一日能獲得用之不竭,、清潔安全的能源,。