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。
劣势：需要高功率激光器，耗能巨大，同时需要大量新材料以维持约束环境。要使用有史以来最复杂的自动化控制设备——八百五十台计算机控制激光束，对准只有五十微米的核反应目标。值得一提的是，科幻作品中描绘的用以驱动未来星际飞船的核火箭，大多使用激光点火的惯性约束核聚变，但愿未来的计算机体积足够小，可以一股脑儿塞进飞船。
对核聚变的常见误解
没有核辐射、核废料的清洁能源？
曾有这样一个关于核聚变污染的“钓鱼帖”在网络上流传：“目前世界上广泛存在这样一种由核聚变产生的电磁辐射污染，它波长四百至七百纳米，能量达到二至三电子伏，足以切断相当一部分的化学键。该辐射对所有植物和动物的某些器官都有强烈的刺激。最可怕的是，当前地球表面充满了大量的这种辐射，辐射强度高达每平方米一点三至一点四千瓦，遗憾的是，科学家们不仅有意识地忽视了这些辐射，甚至试图让公众忽视这些危害！”
有一定科技常识的人一下就能看出，帖子里写的“污染源”就是太阳。这篇帖子隐含着这样一个事实：虽然我们没觉得太阳光有什么危害，但要是没有地磁场和大气层的保护，太阳发射出的射线与高能粒子仍会致命。目前的核聚变发电方式也是一样，会产生一些放射性废料，而不是一般人认为的那样，属于绝对清洁的能源。
核聚变发电厂产生的放射性废料比核裂变电厂所产生的相应废料在某种程度上容易处理一些，但毕竟也是放射性废料。
从洛-马公司公布的设计看，对于反应堆的超导磁体在运行过程中所释放出的中子和放射物辐射，它未能提出任何作用显著的防护手段，这就使得这项设计显得不具现实可行性。在目前技术水平下，对于核反应堆产生的中子和伽马射线辐射，是非常难以进行有效防护的，而洛-马公司在宣布其设计时甚至没提到核辐射防护问题。是畏难回避，还是另有隐情？还得等时间来揭晓答案。
核聚变很难发生，只能有富可敌国者才玩得起
家住纽约的马克·苏普思白天是时尚品牌Gucci的网络设计师，晚上他在租用的一个仓库里制造核聚变反应堆。仓库位于绿树成荫的布鲁克林大街旁边，马路对面就是他的公寓，在仓库角上有一个杂货店，但实际上它是一个实验室。在这个仓库的三楼，一架高频发报机、一堆金属废料和一台怪头怪脑的机器就是苏普思的核聚变装置。三十二岁的苏普思先生是“聚变”兴趣组织的成员，作为业余科学爱好者，他出于兴趣制造山寨版的聚变反应堆，并着眼于解决一些技术问题。他是世界上第三十八个试图独立制造核聚变反应堆的业余物理学家，其他的参与者包括一个十五岁的成员和一个俄亥俄州的博士生。科学家说，类似于苏普思的装置不会真正威胁到附近的社区和环境，因为它们不含有核燃料，如铀和钚。
通常人们认为要发生核聚变得投入数以亿计的美元，但以苏普思为代表的业余科学家只花几万美元就实现了小规模核聚变。其主要设备都可在网上买到。
看起来这仿佛是“冷聚变”一类骗人的玩意儿，但实际上世界各地的科学家一直在这样进行这类微型核聚变实验，而且它们的原理都相对简单。要有一台聚变器接受氘核，并把它们注入一个装有一对带电金属电极的真空室中。电极必须制成允许原子核从中通过的形状。当一个氘核被喷出并经过外球面时，它就受到正电荷的排斥，但同时又受到内球面负电荷的吸引，这样它就以持续增长的速度向内飞奔。如果两球面保持在高电压下，这些离子就会飞速冲过内球面并向该装置的中心落下，在那里，它们或许会撞击到从其他方向向内落下的其他离子，它们因而便有机会聚合，释放能量。
问题是，现在没有人能找到一种方法来使聚变反应产生的能量大于反应本身要消耗的能量。所以，要产生核聚变并不难，难的是要从中获得能量“盈余”。
成本低至零的能源？
氘是从海水里萃取出来的，氚来自金属锂；一加仑海水可提供相当于三百加仑汽油产生的能量，五十杯海水产生的燃料所含的能量，相当于两吨煤。在可预见的未来，上述原料都不会用尽，因此一般人都认为，核聚变发电几乎是零成本。其实不然。
目前的大型核聚变装置十分昂贵。建造ITER并使之运转至少要耗资一百五十亿美元，而且它永远不会是一座实用的反应堆。国家点火装置已花费三十五亿美元，作为燃料的氢靶丸，每一个直径只有两毫米，价值却在四万美元左右，因为它们必须是完美的球体，以保证在被激光击中后能够以理想的方式发生崩溃。即便未来实现技术突破，可以批量建厂，每一座核聚变发电厂可能都得耗费几十亿美元。只要有别的能源存在，现有的主流核聚变发电方式就不大可能对人类的能源需求有举足轻重的影响。这也是洛-马公司“新发明”的意义所在。
未来五十年的能源
现在的科幻迷早就不把可控核聚变发电当作科幻话题了，涉及核聚变发电的科幻作品都是很早以前的了，比如《小灵通漫游未来》中的海底核聚变电站。
二战刚结束时，人们对核能应用超级兴奋，工程师试着把它用在各种事物上，包括轮船、潜艇、飞机乃至火箭。在科技乐观主义背景下，虽然发生了日本广岛和长崎的悲剧，但是人们认为一切都有可能性。当时，核能还被认为是清洁与安全的能源，污染比核裂变反应堆低得多的核聚变反应堆在这时从科幻进入工程领域。但半个多世纪以来的无数次碰壁，使得核聚变的商业运营总被说成是“五十年之后”才会发生的事情。当年第一批听到“五十年”后的孩童现在已经是老年人了，不知他们是否能看到允诺成真的那一天。这堪称核聚变的“五十年后”定律，与IT界的摩尔定律不同，这是一个悲观的定律。核聚变发电实在太难了，人类真能掌握恒星的力量吗？
其实，用牛津大学能源研究中心主任克里斯·史密斯教授的话说：“如果拥有足够的钱，我们现在就基本可以建造一个核聚变发电站，但是这样并不经济。我们面临的挑战在于让聚变发电站安全可靠并能够参与市场竞争。”对于聚变能源来说，最主要的不是我们是否能开发它，而是能否以人们愿意承担的价格来开发它。
近年来，宣称已经找到核聚变发电途径的人并不鲜见，美国劳伦斯维尔等离子物理公司就是其中之一。根据2012年3月发表的一篇论文，该公司成功将聚变燃料加热到十八亿度，是太阳核心温度的两百倍。他们利用等离子体的天然不稳定性集中能量。这是与太阳耀斑相同的过程——例如箍缩效应，同时将规模缩小到可以在实验室进行的程度。而政府资助的那些计划一直在遏制这种不稳定性。也就是说，他们选择了一条难度更大的道路。他们的方式比较简单，因为这是利用天然过程，而不是遏制这些过程。
悲观者如钍能源联执行总监约翰·库奇则认为，核聚变永远都无法成为切实可行的能源，因为它需要大量的资源和技术资本。他说：“核聚变理论上看似强大，但到了实践的关头，你就会发现它超出我们的能力之外。”
虽然质疑声音很响亮，但仍有人不为所动，他们走得更远，已经到了科学幻想的范畴。前文提到的纽约“民科”苏普思就希望能做出突破，直至造出巴萨德式核反应堆，并让氢聚变成硼并发电。巴萨德是已故的著名物理学家，根据他的想法设计的巴萨德式冲压核动力飞船，已经在科幻小说《宇宙过河卒》和《三体》的宇宙中翱翔。
在美国的亨茨维尔航空物理研究中心，NASA、波音和橡树岭国家实验室正在协力研发核聚变脉冲火箭发动机。这虽然不是曲速引擎，但与现有技术相比，它能极大提高我们穿越太空的速度。预计到2030年，脉冲发动机会成为现实。这种发动机能在不到四十天的时间里把飞船从地球送到火星。我们选择的聚变燃料是氘和锂6晶体，听起来有点儿像《星际迷航》中的“二锂晶体”。但在研发中有很多技术难题需要克服，控制核聚变很困难，更别说把聚变产生的能量用于推动飞船。带有脉冲发动机的飞船也要在太空中组装，就像国际空间站那样。设想一下，把一吨重的TNT炸药放在火箭后部并不断让其爆炸，那就是他们在做的努力。
乐观派认为，打造一项具有突破性的发明不一定必须投入数十亿美元。莱特兄弟创造历史的飞机制造成本相当于现在的三万美元，第一个晶体管只用了研究小组短短两年就制成了。近乎无限且相对清洁的核聚变能量实在太诱人了，它就像永动机一样，总在撩拨物理学家的心弦。妙的是，获取这种能源并不违反任何物理学定律。也许，核聚变发电站的蓝图已经被会喷吐技术迷雾的妖龙守护着，就等聪明勇敢的勇士把它拿到手了。【责任编辑：杨 枫】
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