我們知道太陽在地球上孕育了生命，為人類帶來了取之不盡用之不竭的能量。這些能量都源自于其內(nèi)部進(jìn)行的核聚變反應(yīng)，即使現(xiàn)在的太陽“正值青春”，但是在當(dāng)今這個(gè)資源極需的時(shí)代，人們一想到不可再生資源總會(huì)枯竭還是會(huì)感到不安，于是便萌生了復(fù)制太陽的想法。

自上個(gè)世紀(jì)，人類通過核聚變原理制造出了威力巨大的氫彈，便從中嘗到了核聚變原理的“甜頭”?？茖W(xué)家們于是開始思考，如果控制核聚變?yōu)槿祟愃?，它將成為未來世界的新型能量來源，永久解決人類社會(huì)能源與環(huán)境問題。

什么是可控核聚變

大家知道，物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子由原子構(gòu)成，原子中的原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，原子核外包覆與質(zhì)子數(shù)量相等的電子。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。電子受原子核中的正電的吸引，在"軌道"上圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。不同元素的電子、質(zhì)子數(shù)量也不同。

核聚變是指由質(zhì)量輕的原子，在超高溫超高壓條件下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核，并釋放出巨大的能量。核聚變又稱為熱核聚變。例如，氫的同位素氘和氚的原子聚合生成氦原子。核聚變所釋放的能量是核裂變的百倍。1千克氘全部聚變釋放的能量相當(dāng)11000噸煤炭。

氫在自然界存在3種同位素，也就是氕、氘 （重氫）、氚（超重氫）。利用氫的核聚變原理，人類早已實(shí)現(xiàn)了氘氚核聚變---氫彈爆炸，但氫彈是不可控制的核聚變，瞬間能量釋放只能給人類帶來災(zāi)難。如果能讓氫核聚變反應(yīng)按照人們的需要，長期持續(xù)釋放，就能利用氫核聚變所釋放的能量來發(fā)電，為人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

現(xiàn)在不是已經(jīng)有了利用釉裂變的原子能發(fā)電站了嗎，為什么還要搞氫核聚變發(fā)電站呢？這是因?yàn)闅浜司圩兓旧蠜]有放射性污染，核裂變卻是核污染可怕。就從經(jīng)濟(jì)上看，制取1千克濃縮鈾的費(fèi)用是1.2萬美元,而制取1千克氘的費(fèi)用只有300美元；一座百萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克；而一座百萬千瓦裂變式核電站，需要30-40噸核燃料；因此氫核聚變發(fā)電具有極大的優(yōu)勢。

大家知道，質(zhì)量輕的原子核之間的靜電斥力最小，也最容易發(fā)生聚變反應(yīng)，所以人類要實(shí)現(xiàn)核聚變的物質(zhì)一般是首先選擇氫的同位素氘和氚。氫是宇宙中最多的，也是最輕的元素，它在自然界中存在的同位素有氕、氘 、氚。在氫的同位素中，氘和氚之間的聚變最容易，氘和氘之間的聚變就困難些，氕和氕之間的聚變就更困難了。因此人們在考慮聚變時(shí)，先考慮氘-氚之間的聚變，后考慮氘-氘之間的聚變。

要可控制地利用核聚變作為清潔能源，根據(jù)實(shí)現(xiàn)起來的易難程度和核污染輕重程度，科學(xué)家認(rèn)為，有三類核聚變?nèi)祟愂强梢钥刂评玫摹?/p>

“第一代”核聚變是氫的核聚變（氘氚聚變和氘氘聚變）。這類核聚變的實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)較低，釋放出來的少量中子可以被控制和利用，是一種最便宜的清潔能源?，F(xiàn)在全世界的科學(xué)家都在設(shè)法實(shí)現(xiàn)的，就是這種可控的氫核聚變。

“第二代”核聚變是氘和氦3的反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)本身不產(chǎn)生中子，但是可能出現(xiàn)的氘氘反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中子，只是中子的總量非常非常少。這類核聚變更清潔了，但實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)也高了。

“第三代”核聚變是讓氦3跟氦3反應(yīng)。這種聚變完全不會(huì)產(chǎn)生中子，是最清潔最安全的。當(dāng)然，這種核聚變要實(shí)現(xiàn)可控就更困難了。

要知道，雖然在理論上是最簡單的，但是可控氘-氚聚變還沒有完全實(shí)現(xiàn)。

?氫核聚變的原料

?氫核聚變要用的材料是氘和氚。氘在海水中的含量還是比較高的，只需要通過精餾法取得重水，然后再電解重水就能得到氘。

氘很容易獲得，盡管氘-氘反應(yīng)也是氫核聚變的一種形式，但是產(chǎn)生氘-氘反應(yīng)所需要的點(diǎn)火溫度很高，科學(xué)家現(xiàn)在還實(shí)現(xiàn)不了。另外，氘-氘反應(yīng)太猛烈了，科學(xué)家只能在實(shí)驗(yàn)室條件下做一次性的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在還談不上控制氘-氘反應(yīng)，很難讓它鏈?zhǔn)椒磻?yīng)下去。還好，人們發(fā)現(xiàn)了氘-氚反應(yīng)的烈度要小很多，它的反應(yīng)速度僅僅是氘-氘反應(yīng)的100分之一，而點(diǎn)火溫度反倒低得多，很適合人類在現(xiàn)有條件下的研究和利用。

氚不同于氘，氚是地球上最稀有的元素，由于氚的半衰期只有12到26年，所以在地球誕生之初的氚早已衰變得無影無蹤了?，F(xiàn)在人類所用的氚都是人工制造而非天然提取的。氚是地球上最貴的東西之一，一克氚價(jià)值超過30萬美元。

這么貴的原料，用作核聚變發(fā)電顯然是無法接受的，幸好人們可以利用鋰來獲得氚。鋰元素在地球上的資源非常豐富。一方面海水中就含有足夠的氯化鋰。另一方面，中國是世界鋰資源最豐富的國家，碳酸鋰礦產(chǎn)豐富。從這些鋰鹽中很容易分離出鋰。鋰的2種同位素，鋰-6和鋰-7，在被中子轟擊之后，就會(huì)裂變，其產(chǎn)物都是氚和氦。所以，人們只要將鋰的靶件植入重水反應(yīng)堆中，就可以方便地獲得氚。

在氫核聚變反應(yīng)堆內(nèi)，氚和氘反應(yīng)后，除了形成一個(gè)氦原子核之外，還有一個(gè)多余的中子，并且能量很高。人們只需要在核聚變的反應(yīng)體之內(nèi)保持一定比例的鋰原子濃度，那么中子就會(huì)轟擊鋰核，促使鋰核裂變，產(chǎn)生一個(gè)新的氚。這個(gè)氚則繼續(xù)參與氚-氘反應(yīng)，繼而產(chǎn)生新的中子。于是，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就形成了。所以，理論上講，人們只需要向反應(yīng)堆內(nèi)提供兩種原料，即氘和鋰，就能實(shí)現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)，并且能維持這種聚變反應(yīng)。

氘在自然界取之不盡。從1升海水里提取的氘，在聚變反應(yīng)中所釋放的能量，相當(dāng)于燃燒300升汽油。如果把自然界的氘和氚全部用于聚變反應(yīng)，釋放出來的能量足夠人類使用100億年。與核裂變相比，氘和氚的聚變能量是一種安全、核污染很低、原料成本低廉的能源。

磁約束核聚變裝置（托卡馬克）

氫的聚變反應(yīng)在太陽上已經(jīng)持續(xù)了近50億年，至少還可以再燃燒50億年。在其它恒星上，也幾乎都在燃燒著氫的同位素氘和氚。根據(jù)這個(gè)事實(shí)不難知道，人們要在地球上實(shí)現(xiàn)氘-氚聚合反應(yīng)，就得用太陽的溫度點(diǎn)火起步。太陽中心溫度達(dá)到1500萬攝氏度，在太陽內(nèi)部還存在巨大的壓力，這種高溫高壓才能使氫核聚變不間斷地進(jìn)行。在地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補(bǔ)，這就是說，在地球上要溫度近億度才能實(shí)現(xiàn)氫核聚變。那么，如何點(diǎn)火開始?xì)涞暮司圩兡兀绾巫尵圩兒螽a(chǎn)生的近億攝氏度的等離子體能夠長時(shí)間地保持在反應(yīng)堆里，使聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)地進(jìn)行下去呢。

在20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)科學(xué)家阿齊莫維齊等人首先提出磁約束核聚變的方法并發(fā)明了托卡馬克裝置。托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候，托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，不僅能把氫的等離子體約束住，而且能把它加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。

托卡馬克是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。它的名字托卡馬克Tokamak來源于環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。

1954年，第一個(gè)托卡馬克裝置在原蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成。70年代初，在蘇聯(lián)T3托卡馬克上獲得超過1000萬度的等離子體，國際上很快形成了較大規(guī)模的以托卡馬克為主流的磁約束研究方向。那時(shí)，世界上只有蘇聯(lián)、美國、法國和日本這4個(gè)國家利用小型的托卡馬克做核聚變研究工作。

中國的西南物理研究院于1984年建成中國環(huán)流器一號(hào)(HL-1），這也是用來研究等離子體的裝置。后來，解體的蘇聯(lián)于1990年贈(zèng)送給我國一套縱向超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置T-7，在此基礎(chǔ)上，中國于1995年建成超導(dǎo)裝置HT-7，這已是一個(gè)中型的聚變研究裝置。

經(jīng)不斷改進(jìn)，HT-7已成為一個(gè)寵大的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它包括超導(dǎo)托卡馬克裝置本體、大型超高真空系統(tǒng)、大型計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、大型高功率脈沖電源及其回路系統(tǒng)、全國規(guī)模最大的低溫氦制冷系統(tǒng)、兆瓦級(jí)低雜波電流驅(qū)動(dòng)和射頻波加熱系統(tǒng)以及數(shù)十種復(fù)雜的診斷測量系統(tǒng)。它在以后的實(shí)驗(yàn)中，取得若干具有國際影響的重大科研成果。特別是在2003年3月31日，實(shí)驗(yàn)取得了重大突破，獲得63.95秒的等離子體放電，在當(dāng)時(shí)世界領(lǐng)先。

2007年5月24日，在歐盟總部布魯塞爾，中國、歐盟、美國、韓國、日本、俄羅斯和印度7方代表共同草簽了《成立國際組織聯(lián)合實(shí)施國際熱核聚變反應(yīng)堆（ITER Tokamak ）計(jì)劃的協(xié)定》，這是一項(xiàng)國際協(xié)作的協(xié)定，當(dāng)時(shí)計(jì)劃歷時(shí)35年，其中建造階段10年、運(yùn)行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年，耗資46億歐元。這7國的科學(xué)家決心共同打造這個(gè)“人造太陽”，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變。

ITER Tokamak是一個(gè)超大型的氫核聚變反應(yīng)堆，其主要組件包括：

---真空室。用于盛放等離子體，并將反應(yīng)室置于真空中。

---中性束注入器（離子回旋系統(tǒng)）。將加速器釋放的粒子束注入等離子體中，以便將等離子體加熱到臨界溫度。

---磁場線圈（極向環(huán)形）。用于產(chǎn)生超導(dǎo)磁體，用磁場來約束、定型和抑制等離子體。

---變壓器和中央螺線管。為磁場線圈供電。

---冷卻設(shè)備（冷凍機(jī)、低溫泵）。用于冷卻磁體。

---包層模塊 。由鋰制成，用于吸收核聚變反應(yīng)中的熱量和高能中子。

---收集器 。排出核聚變反應(yīng)中的氦產(chǎn)品。

ITER Tokamak磁約束核聚變的作用機(jī)制和實(shí)現(xiàn)過程大致是這樣的：

---核聚變反應(yīng)堆加熱氘和氚燃料的氣流，使之形成高溫的等離子體。接下來，反應(yīng)堆的磁約束力對等離子體施加壓力，繼而發(fā)生核聚變。

---啟動(dòng)核聚變反應(yīng)所需的電能約為 70 兆瓦特，但該反應(yīng)所產(chǎn)生的電能約為 500 兆瓦特。

---核聚變反應(yīng)要求至少持續(xù) 300 到 500 秒（最終將形成持續(xù)的核聚變反應(yīng)）。

---等離子體反應(yīng)室外部的鋰包層將吸收核聚變反應(yīng)中釋放的高能中子，從而產(chǎn)生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，這些包層也會(huì)被加熱。

---水冷回路將熱量轉(zhuǎn)移至熱交換器，最終形成蒸氣。

---蒸氣將被重新壓縮成水，以便讓熱交換器吸收反應(yīng)堆中的更多熱量。

?ITER Tokamak 的建設(shè)目的之一，是研究和測試可控的持續(xù)的核聚變反應(yīng)可行性。計(jì)劃在2019年實(shí)現(xiàn)磁約束等離子體，2026—2027年實(shí)現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)，在ITER裝置上的研究工作至少要持續(xù)到2039年。二是，最終將ITER裝置轉(zhuǎn)變?yōu)橐蛔梢赃\(yùn)行的核聚變發(fā)電站。

磁約束核聚變裝置（仿星器）

仿星器的概念最早在1951年，由當(dāng)時(shí)在美國普林斯頓大學(xué)工作的著名物理學(xué)家萊曼·斯皮策 （Lyman Spitzer）提出。但在當(dāng)時(shí)，人們普遍認(rèn)為這種設(shè)計(jì)太過復(fù)雜，利用20世紀(jì)中期的材料技術(shù)難以克服這些困難。而現(xiàn)在，隨著超導(dǎo)材料和其他新型材料的出現(xiàn)，研究人員相信他們現(xiàn)在終于能夠把當(dāng)年斯皮策的天才設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2015年，德國馬克斯——普朗克研究所科學(xué)家開始啟動(dòng)一種新型大型核聚變反應(yīng)堆——“仿星器”。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，研究人員只需向其中注入少量的氫，并將其加熱到等離子體，就可以有效地模擬了太陽內(nèi)部的環(huán)境。這臺(tái)代號(hào)為“Wendel stein 7一X”的所仿星器自該設(shè)備開始研發(fā)以來，就有人們質(zhì)疑其究竟何時(shí)能開展工作并產(chǎn)生正確的磁場，但研究人員在過去數(shù)月中對“wendel stein 7一X”實(shí)施的多次試驗(yàn)證明，這臺(tái)仿星器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

世界許多國家科學(xué)家都在努力嘗試核聚變技術(shù)的利用，而德國“wendel stein 7一X”（或簡寫為“W7一X”）仿星器的試驗(yàn)則是其中最典型的代表之一。核聚變技術(shù)的擁護(hù)者認(rèn)為，盡管這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用還需數(shù)十年的努力，但成功后的仿星器將能夠完全取代化石燃料和傳統(tǒng)的核裂變反應(yīng)堆。未來的核聚變反應(yīng)堆主要分為兩大類型，一種是托卡馬克核聚變裝置，另一種就是仿星器核聚變裝置。在托卡馬克核聚變反應(yīng)堆中，只需要利用一個(gè)2D磁場來控制等離子體，而仿星器的運(yùn)行則是依靠一種扭曲的3D磁場。

仿星器核聚變反應(yīng)堆是將熾熱的等離子體限制于扭曲的磁場中進(jìn)行聚變反應(yīng)。托卡馬克聚變反應(yīng)堆則是利用強(qiáng)大的電流引導(dǎo)等離子體，在類似甜面圈形狀的設(shè)備中進(jìn)行聚變反應(yīng)。于20世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)物理學(xué)家發(fā)明托卡馬克聚變反應(yīng)堆被認(rèn)為建造相對容易。但是仿星器的扭曲結(jié)構(gòu)可以幫助其更好地控制等離子體，以及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較小，不像托卡馬克反應(yīng)堆那樣容易出現(xiàn)內(nèi)部電流突然中斷現(xiàn)象，造成聚變反應(yīng)立即停止。

激光約束（慣性約束）核聚變

慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內(nèi)。從外面均勻射入強(qiáng)大的激光束或粒子束，球面外層因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用力，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓，反作用力是一種慣性力，靠它把氘和氚的混合氣體約束在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，所以稱為慣性約束。強(qiáng)大的激光束產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，沖擊波將以每小時(shí)100萬英里的速度壓碎靶丸，同時(shí)產(chǎn)生一億攝氏度左右的高溫。在高溫和輻射的作用下，粒狀物將轉(zhuǎn)化為等離子體，小球內(nèi)氣體受擠壓的壓力不斷升高。當(dāng)溫度達(dá)到所需要的點(diǎn)火溫度（大概需要近億度）時(shí)，小球內(nèi)氘和氚便發(fā)生聚合反應(yīng)，并產(chǎn)生大量熱能。

靶丸內(nèi)核聚變反應(yīng)的時(shí)間很短，大約只有百萬分之一秒，但它釋放的能量是引發(fā)核聚變所需能量的 50 到 100 倍。在這種類型的反應(yīng)堆中，如果能夠降低靶丸的成本，持續(xù)點(diǎn)燃目標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)可控核聚變，且大大降低了核聚變發(fā)電的成本。

現(xiàn)在，美國勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室建成了激光約束核聚變點(diǎn)火設(shè)施，簡稱 NIF。法國的點(diǎn)火設(shè)施簡稱LMJ ，中國的簡稱神光，不少國家都在研究激光約束核聚變。

利用激光誘發(fā)核聚變，最大的閃光點(diǎn)在于，在激光束聚焦的點(diǎn)位上，瞬時(shí)達(dá)到高溫高壓，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的目的。但是，長期的試驗(yàn)證明，該方法還存在一些關(guān)鍵性的困難。1）靶丸要做到很精準(zhǔn)，多方面的激光束要均勻地壓縮靶丸，任何偏差都不能實(shí)現(xiàn)高溫高壓的效果。2）靶丸成本要降低，現(xiàn)在的靶丸是用氘和氚做的，氚非常貴。3）強(qiáng)大的激光束要連續(xù)發(fā)射，目前的電容器和電力都還跟不上來。

正是由于這些原因，人們認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)可控的氫核聚變，還是磁約束方法是最有希望的。人們會(huì)自然的想到，能不能把激光點(diǎn)火的思想融合到托卡馬克中呢？不過，還一直沒有見到過這方面的有關(guān)報(bào)道。

研究可控核聚變的動(dòng)力

在第一顆原子彈爆炸后僅十多年，人們就找到了控制核裂變反應(yīng)的辦法，并建成了核裂變電站。雖然科學(xué)家早就認(rèn)識(shí)到裂變反應(yīng)會(huì)造成核污染，也采取了很多防范措施，但裂變反應(yīng)的核廢料難以處理，特別是前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和日本福島核電站事故給世人極其深刻的教訓(xùn)。世人對裂變電站越來越擔(dān)心，對聚變電站寄于越來越大的期望。

氫彈炸爆后，原以為人類可以很快地掌握可控核聚變，很快地建成聚變電站，但事實(shí)上的困難遠(yuǎn)比想象的大得多。這也是符合哲理的，要想獲得更多更好的效果，就要付出更多更難的努力。

核聚變的主要應(yīng)用是發(fā)電，它可為人類提供安全、清潔的能源，與目前的核裂變反應(yīng)堆相比，核聚變發(fā)電具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

燃料供應(yīng)充足——氘可直接從海水中提取，氚可從核反應(yīng)堆本身的鋰中獲得，而鋰又廣泛存在于地殼中。核裂變卻不是這樣，它所需的鈾在地球上稀少，必須經(jīng)過開采和濃縮后才能用于反應(yīng)堆。

安全——可控核聚變發(fā)電所需的燃料較少，能量釋放可控。核聚變反應(yīng)堆釋放的輻射也很少，只要采取簡單措施就可以控制輻射。

清潔——核電廠（無論是裂變還是聚變）不靠燃燒發(fā)電，不會(huì)造成空氣污染。

核廢料更少——核聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料很少，處理起來會(huì)更加容易，也不會(huì)帶來什么危險(xiǎn)。相反，核裂變反應(yīng)堆會(huì)生成大量的核廢料，處理核廢料相當(dāng)麻煩，而且還有輻射危險(xiǎn)。

從長遠(yuǎn)來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之后的主要能源，人類一定會(huì)從“石油文明”走向“核能文明”。現(xiàn)在全世界的科學(xué)家們都是動(dòng)力十足，信心滿滿，可控?zé)岷司圩冋谝徊揭徊降厝〉眠M(jìn)展。相信，建成核聚變發(fā)電站一定不會(huì)太遙遠(yuǎn)。