核聚變是一種為恒星提供能量的過程，由于這種能量產(chǎn)生方式低污染、低輻射，科學(xué)家們一直在努力尋求開發(fā)實用核聚變，為解決未來地球能量供應(yīng)問題提供方案。

最新的好消息來自歐洲。2月9日，總部位于英國的歐洲聯(lián)合環(huán)形（JET）實驗室將兩種形式的氫擠壓在一起，在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦（相當于11兆瓦功率）的能量，打破了1997年該實驗室自己創(chuàng)造的世界紀錄，提取的能量相當于25年前的兩倍多，當時產(chǎn)生的能量為21.7兆焦。

5秒維持等離子體穩(wěn)定

“實驗使我們離聚變更近一步。”JET反應(yīng)堆實驗室運營負責人喬·米爾內(nèi)斯（Joe Milnes）博士表示，“我們已經(jīng)證明，可以在我們的機器內(nèi)部創(chuàng)建一個迷你恒星，將其保持5秒鐘并獲得高能量，這將我們帶入了一個新領(lǐng)域。”

盡管59兆焦的能量并不是一個巨大的能量輸出，基本只夠煮大約60個水壺的水，但這項實驗的突破驗證了正在法國建造的一個更大的聚變反應(yīng)堆設(shè)計的可行性。

“這是一個驚人的結(jié)果，具有里程碑的意義，實現(xiàn)了歷史上聚變反應(yīng)產(chǎn)生的最大能量輸出。”核聚變專家亞瑟·特瑞爾（Arthur Turrell）博士評論道，“他們證明了5秒內(nèi)等離子體的穩(wěn)定性，雖然這聽起來不是很長，但在核時間尺度上，這確實是一個非常非常長的時間。而從5秒到5分鐘，再到5小時甚至更長時間，要容易得多。”

正在法國南部建造的核聚變ITER設(shè)施得到了包括歐盟成員國、美國、中國和俄羅斯在內(nèi)的政府資金支持。ITER項目預(yù)計這將是證明核聚變能在本世紀下半葉成為可靠能源供應(yīng)的最終一步。

“我們剛剛完成的實驗必須成功，因為如果不成功，我們就會擔心ITER是否能夠?qū)崿F(xiàn)它的目標。”JET實驗室首席執(zhí)行官伊恩·查普曼（Ian Chapman）教授表示。

聚變的工作原理是，可以通過將原子核強制擠壓在一起產(chǎn)生能量，而不是分裂它們來釋放能量。在太陽核心，巨大的引力壓力使得聚變能夠發(fā)生在大約1000萬攝氏度的溫度下；而在地球上壓力要低得多，產(chǎn)生聚變的溫度需要超過1億攝氏度。

由于不存在可以承受如此高溫的直接接觸的材料，為了在實驗室中實現(xiàn)聚變，科學(xué)家們設(shè)計了一種解決方案，將過熱氣體或等離子體保持在環(huán)形磁場內(nèi)。

JET實驗室位于牛津郡庫勒姆，這是一個規(guī)模較小的環(huán)形項目，已經(jīng)開展了近40年的研發(fā)工作，內(nèi)部使用銅電磁鐵。在過去的10年中，JET被當作ITER設(shè)施復(fù)制的原型，JET將于2023年退役。

實現(xiàn)可控核聚變目標

ITER的規(guī)模更大，環(huán)形容器體積將是JET的10倍，并將使用內(nèi)部冷卻的超導(dǎo)磁體。ITER將在2025年之后開始等離子體實驗，該實驗室用于制造等離子體的首選“燃料”將是氫的兩種形式氘和氚。

海水中蘊藏著大約40萬億噸氘，一升水能夠提煉0.03g的氘，其發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當于燃燒300升汽油或者燃燒336公斤煤。按這樣計算，地球上的海水可以供人類使用上億年。

但聚變何時能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化仍然存在巨大的不確定性。一項估計表明，這一時間可能需要20年，而擴大規(guī)模需要再延遲幾十年。

中國科學(xué)院院士、中科院上海天文臺名譽臺長葉叔華去年曾告訴第一財經(jīng)記者：“地球能源從根本上來自太陽，而恒星的能源則來自核聚變。可控核聚變是科學(xué)家和全社會數(shù)十年來追求的目標，而多國共同參與的ITER項目，有望在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。”

中國也是ITER的重要參與者，擁有話語權(quán)，主要工作由中科院合肥研究院等離子體物理研究所參與，負責多個項目的建造，包括承擔建設(shè)聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施(CRAFT)。

“雖然ITER是一個主要由歐盟主導(dǎo)的項目，但中國在其中的影響力也不容忽視。”一位項目參與人士對第一財經(jīng)記者表示，“ITER的整體進度取決于每個參與國的進度，各自都承擔了不同的工作和部件，如果一個項目延遲，那么整體進程就會被拖延。中國將盡力確保自己的工作能保質(zhì)保量地完成。”

中科院等離子體物理研究所所長宋云濤研究員去年9月在一場“碳達峰碳中和科技論壇”上曾透露，已經(jīng)開始做未來核聚變發(fā)電站工程設(shè)計。“聚變能是核能發(fā)展的最終目標，聚變能可以為碳中和的實現(xiàn)做出重大貢獻。”宋云濤表示。

中國獨立自主創(chuàng)新、協(xié)同攻關(guān)建設(shè)的大科學(xué)裝置“人造太陽”EAST(全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置)已經(jīng)穩(wěn)定運行15年，這也是世界上首個全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置，該裝置又稱為“東方超環(huán)”。

在我國，建設(shè)核聚變電站成本很高，其中超導(dǎo)磁體占了約40%的成本。但隨著我國越來越多地使用自主研發(fā)的超導(dǎo)材料和零部件，未來超導(dǎo)磁體的成本也有望下降。中國有望在2060年前建成核聚變電站并廣泛應(yīng)用。

標簽： 核聚變 等離子體 人造太陽 能源