第3章 科学(1)
核聚变发电，还要再等50年？
文/赵洋
把核电站装进卡车里？
2014年10月15日，洛克希德-马丁公司（简称“洛-马”）宣布在开发一种基于核聚变技术的能源方面取得技术突破，第一个“小得足以安装在卡车上”的小型反应堆有望在十年内诞生。
该项目负责人，洛-马“臭鼬工厂”工作室的汤姆·麦克圭尔表示，他及其所在团队已秘密钻研聚变能技术达四年之久，初期研发工作表明，构建一个功率为一百兆瓦、规格为7X10英尺的反应堆具有技术可行性，并且可以安装在大型卡车的后端。新反应堆的规格可缩小至目前反应堆的十分之一。现在洛-马公开寻找业内或政府领域的潜在合作伙伴，与该项目相关的多项技术均可申请专利。
“臭鼬工厂”最著名的产品包括U-2、SR-71“黑鸟”战略侦察机、F-117隐形战斗机，前两种侦察机在冷战期间曾飞越苏联和中国核基地上空，窥视两国核技术的进展。如今，开发出上述侦察机的这个著名工作室突然宣布，它将在核聚变能源上取得重大突破，确实令人感到意外，尽管洛-马已研究核聚变技术长达六十年。洛-马表示，最快可在一年内完成新反应堆的设计、构建与测试，在五年内造出一个原型——该原型将能演示点火情况，并在点火喷射器关掉后稳定燃烧达十秒钟。虽然它不能像设计的工作中的反应堆那样满功率运行，但符合所有的物理原理，并可在未来十年内诞生实际运行的反应堆。
洛-马计划制造的反应堆非常小，但仍符合核聚变的定义——“一种气体被加热分解为离子和电子的过程。当离子达到足够的温度，就能克服彼此间的斥力而碰撞、融合在一起。此过程会释放出大量能量，是化学反应的一百万倍左右，是裂变反应的三至四倍。”预计新反应堆的尺寸可以和小型燃气轮机相仿，能放在一辆货车上，一百兆瓦的功率输出却足以驱动大型货轮，或者为八万户城市居民提供足够电力。
近年来，洛-马作为美国军方的顶级供应商，一直在研发包括海洋能在内的众多新能源项目，以缓解欧美军方支出下滑的影响。小型反应堆可用于驱动美国海军战舰，减少其他燃料因运输带来的麻烦。目前，美国的核潜艇和航空母舰可以安装核反应堆，但堆体规格太大，而且需要定期更换。如果这项新技术被证明可行，将为船舶和大型飞机提供强大的动力来源，未来的飞机不靠空中加油也能长时间在空中飞行，航程甚至可以近乎无限远，飞行时间近乎无限持久，这就是核聚变的力量。
据预测，未来一代地球人的能源消耗将在现有基础上增加百分之四十至百分之五十。无疑，这种小型核聚变反应堆一旦问世，能缓解全球日益激烈的能源冲突，为公用事业提供廉价的新型能源，以取代煤炭和天然气；还能降低水资源匮乏地区进行海水淡化处理的成本。核聚变的前途和潜力都无比光明，实现的关键取决于成本，对于普通人来说，这至少是十年后的事情。目前，它仍处于初期研究阶段，传统能源还有投资价值。
核聚变研究小史
1919年，英国物理学家阿斯顿发现轻核聚变反应，并和卢瑟福一起证实了轻元素以足够大的能量碰撞引起核反应的现象。十年后，阿特金森和奥特曼斯提出了太阳内氢原子在几千万度高温下聚变成氦的假设。1938年，流亡在美国的德国物理学家贝特和魏扎特证明了太阳的能量来源是氢核聚变为氦。根据质-能转换公式E=mc2，核聚变所释放的能量是同等重量的燃料化学反应所生产能量的一百万倍以上。第二次世界大战期间，物理学家费米和爱德华·泰勒提出了氢弹原理和核聚变反应堆的设想。早在氢弹爆炸前五年，英国帝国大学的汤姆逊就提出，利用箍缩效应使等离子体离开器壁，并加热到热核反应所需温度来控制热核反应的设想。同期，苏联也开展了类似的研究。为了解决环形等离子体的平衡问题，塔姆和萨哈洛夫提出，在环形等离子体中通以大电流，所产生的极向磁场和环向磁场一起形成的磁场位形，可以约束等离子体。
对核裂变与核聚变的认识，引发了人类对核能的开发和利用。这其中既有为人类造福的核反应堆、核电站，也有成为人类噩梦的原子弹和氢弹。氢弹的成功爆炸证明，氢同位素确实可以产生聚变反应。美国、苏联和英国为了发展核武器，一直在互相保密的情况下开展受控热核聚变研究。一开始，科学家们乐观地认为受控热核聚变的成功，会像研发氢弹一样指日而待。但从认识核聚变到1958年，二十年过去了，受控热核聚变还未能实现。最使科学家们困惑的，莫过于环形装置实验达到的约束时间，远小于理论预计的约束时间。鉴于研究工作停滞不前的困境，英、美、苏的科学家意识到，保密不利于研究工作发展，很快建成聚变反应堆的预期不切实际。于是，三国科学家开始互访交流，并于1958年秋在瑞士日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上，三国展出了各种核聚变实验装置，同时达成协议，互相公开研究计划。这次会议以后，受控热核聚变研究的重点逐步转移到如何控制高温等离子体等基础问题上。
两种控制方式
进行核聚变反应面临的最大挑战就是：需要不断提高核燃料的温度，直到使原子核和电子分开，核燃料进入等离子态，再适当地控制等离子体的温度、密度和封闭时间，当质子和中子互相足够接近时，核力就会发挥作用，从而发生核聚变反应。在太阳内部，物质进入等离子体状态并发生聚变的过程主要通过恒星本身的巨大重力实现，而在地球上需要人为创造环境并加以控制，目前主流的有以下两种控制方式：
磁约束核聚变
通过超导体通电形成强磁场，约束并加热核燃料以形成等离子体，进而达到聚变条件。这种技术的典范在1950年前后由苏联人发明出来，被称为“托卡马克”（Tokamak，是环形“toroidal”、真空室“kamera”、磁“magnit”、线圈“kotushka”四个词的缩写），它是被研究得最多的核聚变技术。
如今一个由多国联合设计、投资的聚变反应堆“国际热核聚变实验堆”（ITER）正在法国建设，预计将于2020年投入运营。其首要目的是探究核聚变运用于发电站的可行性。参与国都很期待它的成功。国际热核聚变实验堆将不会直接聚合氢原子核，而将聚合氘和氚。此二者都是氢的同位素且都比氢重。原子核质量的增加保证了聚变更加容易发生，再加上实验堆内的反应将会以十倍于太阳核心的温度进行，以五十万千瓦的功率——也就是一个小型发电厂的水平——生产能源是可以实现的。与太阳不同，该实验堆不能用重力来压缩等离子体，而是要用磁力将其压缩入环形容器中。氘氚聚合反应产生新的氦核和新的中子，并释放出能量。氦核用来加热等离子体，从而减少用外部能源加热的需求。中子被吸引到四壁上，加热四壁。在反应堆中，这些热量可以提取出来，并输送到整个网络。
劣势：因为采用大量超导材料，等离子体维持技术，以及需要发明能够承受恶劣等离子环境的新材料，整套方案的成本极其高昂，同时在热提取技术上存在难点。
惯性约束核聚变
惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内，从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（几十亿度）时，小球内气体发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有一万亿分之一秒。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且持续进行，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。
最成功的惯性约束核聚变实验装置是美国国家点火装置，设计使用三兆焦耳的激光，其中，一点五兆焦转换为紫外线，百分之十五的能量在转化X射线时损耗，百分之十五的能量被靶体外部吸收，剩下的能量诱发聚变，可产生二十兆焦能量。里程碑式的突破是2013年终于“点火”成功，输入了一点八兆焦能量、输出十四千焦能量，依然入不敷出。