作者：甘戍冬（科學火箭叔）
2023年12月1日，世界最大實驗性核聚變反應堆JT-60SA在日本正式點火運行。所以朋友們，那個卡住人類的魔咒——可控核聚變永遠再等50年——終于就要被解除了嗎！我仔細看了一下，沒那么簡單。我們還是需要注意到，新聞標題里面的幾個關鍵性文字——實驗性。是的，這座由歐盟和日本聯合建設的可控核聚變反應堆，也還只是一個實驗性的裝置，它需要完成的，是幫它的大哥哥、那座還在法國建設的、舉全球之力也舉全球矚目的ITER——國際熱核聚變實驗反應堆計劃，提供更多先導的實驗數據和技術驗證支持。本質上，它倆就沒啥區別，都是一種稱之為托卡馬克的可控核聚變裝置......又叫做“甜甜圈”，只是日本剛剛運行的甜甜圈是法國計劃等到2035年才運行的甜甜圈的六分之一而已。
所以，到底什么是可控核聚變？什么又是托卡馬克裝置？JT-60SA到底要驗證些什么？我們是不是真的還要等上50年才能用上它發的電？......等等疑問是不是蹭蹭蹭的從腦袋里面冒了出來。好，今天我們的目標，就是給你把它們解釋清楚。
先說什么是可控核聚變。一句話解釋就是，模仿太陽內部的能量產生方式——通過把兩個輕元素，通常是氫的兩個同位素氘和氚，融合成一個更重的元素，釋放出大量能量的過程。 在這個過程中，輕元素的原子核被強烈地迫使靠近，以至于它們克服了它們之間的排斥力，進而發生聚變。要實現可控核聚變，首先要把氘和氚的原子核加熱到極高的溫度，使它們變成一種叫做等離子體的狀態。等離子體是一種由帶電的原子核和電子組成的氣體，它的溫度可以達到上億攝氏度，比太陽的核心還要熱。在這樣的溫度下，氘和氚的原子核會以極快的速度運動，有時會相互碰撞。如果碰撞的力量足夠大，它們就會結合成一個更重的原子核——氦。而在此過程中，會有一部分的質量消失，轉化為能量。這個能量就是核聚變的產物，可以用來發電或者其他用途。話說，發電的方式那么多，為什么我們獨愛核聚變呢？因為總結起來，它有以下幾個別人不具備的優勢：可控核聚變有以下幾個優勢：第一、資源豐富。可控核聚變的主要燃料是氫的同位素氘和氚，氘在地球的海水中含量很高，氚可以通過鋰與中子反應產生，鋰也是一種廣泛分布的元素。據估計，地球上的海水中的氘，如果全部用于聚變反應，釋放出的能量足夠人類使用幾百億年；第二、環境友好。可控核聚變的反應產物是無放射性污染的氦，不會產生溫室氣體或其他有害物質，也不會產生長壽命的核廢料，基本不污染環境；第三、安全可靠。可控核聚變需要極高的溫度和壓力才能維持，一旦發生故障或意外，反應就會自動停止，不會發生爆炸或熔毀的危險，也不會對周圍造成輻射危害；第四、經濟性能優異。可控核聚變的能量輸出遠遠大于能量輸入，能量增益因子，也就是Q值，可以達到10倍以上，即輸入50兆瓦的能量，輸出500兆瓦的能量。這意味著可控核聚變的運行成本和維護費用都很低，可以提供廉價的電力。
但是，以上都是理想，在實際的可控核聚變反應堆里，想要實現能量的正增益，實在是太難了。實際上，JT-60SA要做的，就是幫ITER驗證能量正增益的問題。雖然這臺四層樓高的機器設計可將加熱至2億攝氏度的等離子體保持約100秒，已經遠遠長于以前的大型托卡馬克裝置了。但是，離穩定的、持續的、經濟的讓等離子體運行并輸出功率，還是有很長的路要走的。對了，說到這兒，我就得要解釋一下到底什么是托卡馬克裝置了。它是實現可控核聚變技術路徑中的一條，被我們稱之為磁性約束。
托卡馬克裝置長得很像個甜甜圈，為什么是甜甜圈呢，因為它其實是一個四周密布著磁線圈的環形聚變室。它們可以產生非常強的磁場，將被加熱成溫度遠超地球上所有耐熱材料極限的高溫等離子束縛其中，讓它們持續在那兒保持正確的密度和溫度，創造出擠破斥力實現原子核之間聚合的條件。但它目前有幾大問題需要解決：第一也是最重要的，就是如何讓它保持燃燒。我是可以在一開始靠輸入大量的能量加熱等離子體點燃核聚變，但如果這樣的聚變在之后不能靠自己的力量維持下去，還要靠我不斷的往里面繼續輸入能量，那我這是要干什么呢？只是點火來玩的嗎？顯然不是，這就是我們想要急切解決的問題——能量的正增益。但問題就在于，無論約束等離子體的磁場有多強或形成的有多好，它總會碰上漏網之魚的。因為圍繞磁場線盤旋的正原子核或離子會發生碰撞和散射，最終難免會漂移出磁約束場地了。而要是漂出去的燃料多了，燃燒不就無法持續了嗎。唯一已知的解決方案是使反應堆更大，這樣散射離子就需要更長的時間才能到達等離子體的邊界，因此在此期間還可以發生更多的聚變，有點簡單粗暴。所以我們就可以看到，ITER為什么有6層樓高，而JT-60SA也有4層樓高，它們就是為了給等離子體提供更大的包裹空間嘛。可不過，就算是這樣的尺寸，仍然不足以維持等離子體的持續燃燒并帶來能量，只能算是一個更大的測試裝置而已。好，這個問題還懸而未決，接著呢，第二個看起來更加實際的問題來了。就算是我們能持續點燃里面的核聚變了，那該怎么提取出它所產生的能量呢？哎呀，這又是另外一個笑話，即便人類科技發展到了這種地步，咱們還是得要靠燒水來提取其中的能量。托卡馬克裝置使用氘-氚聚變成氦的反應產生能量，其中的大部分能量會以快速、高能中子的形式釋放。中子是個不帶電荷的電中性粒子，所以不會加熱等離子體，也不受磁場限制，一旦產生就會到處亂射。于是，我們就專門為它準備了厚厚的防護罩，讓它打在上面，給防護罩升溫，再用這個溫度把水蒸發成水蒸汽，從而為渦輪機和發電機提供動力，生產出我們想要的電力了。不過問題是，中子的持續轟擊使屏蔽材料隨著時間的推移而退化，并變得非常具有放射性，給拆除、更換和處置都帶來了嚴重的問題。這個，我們也沒有想得太清楚，而且看起來，它好像也不是那么清潔了對不對。好，第三，核燃料的獲取也是個問題。目前我們使用的是氘 - 氚聚變反應，理由是它們發生在所有可能的核聚變燃料的最低能量狀態和最低等離子體溫度下，因此更容易點燃和保持點燃。雖然理論上氘和氚在地球上都不少，但是，氚這家伙其實在自然界中并沒有大量存在，它需要在核反應堆中制造才行。以今天的生產能力，我們都無法制造足夠的氚來持續為ITER提供動力，就更別說規模更大、數量更多的，需要實際發電的可控核聚變電站了。
所以，雖然這次JT-60SA反應堆正式點火運行，但咱們離解除可控核聚變魔咒，還有很長的路要走。
好，說完了在日本的JT-60SA，最后咱們再來看看世界上其他國家在可控核聚變之路上走的如何吧。先說咱們中國的，我們目前有全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST和可控核聚變研究裝置“中國環流器三號”。EAST是世界上第一個建成并運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置，曾經創造了在1.2億攝氏度下運行101秒的世界紀錄。環流器三號是我國自主設計、建造和運行的最先進的核聚變實驗裝置，能夠產生1.5億攝氏度的高溫等離子體。接著是美國，它有美國國家點火裝置NIF和斯坦福線性加速器中心的LCLS-II X射線激光器。NIF是世界上最大的激光裝置，采用慣性約束的方法實現核聚變，曾經在2022年1月實現了一種稱為燃燒等離子體的現象，即聚變燃料自行輸出能量超過了輸入熱量，這是通往可控核聚變的一個關鍵的里程碑。LCLS-II是世界上最亮的X射線激光器，能夠觀察和控制核聚變等離子體的微觀結構和動力學。然后是日本，除了JT-60SA它還有國際核聚變材料輻照實驗裝置IFMIF。這也是一個國際合作項目，旨在研究和開發適合核聚變反應堆的材料，利用高能中子束模擬核聚變反應的輻照環境。
當然，除了以上這些主要的可控核聚變研究項目，世界上還有一些其他國家和組織也在進行相關的研究，例如德國、英國、法國、韓國、印度、俄羅斯、巴基斯坦、朝鮮、以色列等。可以看到，可控核聚變是一項具有巨大潛力和挑戰的科學探索，需要全球的合作和創新才有可能實現，希望它真的不要讓我們再等上50年了。
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者：甘戍冬
審核：孫志斌 中國科學院國家空間科學中心研究員
出品：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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