理想清洁能源

第三节　理想清洁能源——“人造太阳”

以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭，基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意。人类期待着新的能源。受控热核聚变反应能释放巨大的能量，而且这种能源干净、安全，还以用之不竭的海水作为原料，因此，受控热核聚变能是人类未来能源的主要希望所在。在地球上，主要有两种方法实现受控热核聚变反应：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。

核聚变是指由质量轻的原子，主要是指氘或氚，在高温高压下，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。太阳发光发热就是利用核聚变产生的能量。因此，建造核聚变反应堆，就等于在地球上建造提供清洁能源的小太阳。

一、受控热核聚变可实现理想清洁能源

与传统化石燃料经过燃烧排放大量温室气体、污染大气的缺陷相比，核能的利用就清洁多了。可惜核裂变能的利用会产生难于处理的核废料，处理成本相当高，加上安全运行问题时有发生，它依然会给人类的生存环境造成威胁。核能的利用依然无法很好地解决“清洁”和“恒久”两大问题。

早在20世纪50年代，人类就在地球上实现了发生在太阳内部的氘和氚的核聚变过程，这就是氢弹爆炸。氢弹的成功引爆，让人类真正体会到两个质量很轻的原子核聚合竟会瞬间释放出如此惊人的巨大能量！如果能够按照人们的需要有效地控制这个反应过程，让能量长期地、持续地释放，就可以将这个反应产生的巨大能量拿来为人类发电，实现核聚变能的和平利用。

受控热核聚变一旦能够成功，不但产生的能量巨大，还可以为人类带来理想而恒久的清洁能源。

首先，燃料来源比较容易获取。氢的同位素氘与氧结合所生成的水称为“重水”。重水在海水中所占比例虽然小，但是人们只要用蒸馏法就可从海水中取得，然后再电解就可获得氘。据估测，每升海水中含有0．03克氘，地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。而氚也可以从海水中含量丰富的锂元素中制造出来。因为锂原子在重水反应堆中被中子轰击之后就会分裂成氚和氦。科学家将锂制的靶件放入重水反应堆内，在中子的照射下得到氚。

太阳发光发热就是利用核聚变产生的能量

其次，聚变产生的能量比较大。从核物理理论和爱因斯坦著名的质能方程可知，聚变能比裂变能还要大几倍。经测算，1升海水所含的氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量，1千克氘全部聚变释放的能量相当于11000吨煤炭所释放的能量。海水中氘的储量足够人类使用几十亿年。

而尤其重要的是，核聚变反应副产品当中没有放射性物质。核聚变生成的废物主要是氦，它并不给环境带来污染。故与核裂变相比，核聚变不仅安全，而且相对环保。这意味着，核聚变过程一旦被驾驭，人类将获得一个理想的清洁能源。难怪人们把这种受控热核聚变形象地比喻为“人造太阳”计划。

二、世界掀起“人造太阳”热

“人造太阳”技术可行性高，应用前景广阔。实际上，除了美国的“人造太阳”计划，中国、俄罗斯等国目前都在研究类似的“人造太阳”核聚变技术。

（一）国际热核聚变实验反应堆

与国际空间站、欧洲加速器、人类基因组测序研究等项目一样，国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划也是一个大型的国际科技合作项目，所涉及国家的人口总和占全球总人口的一半以上。

该计划的目标是要利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能。这一计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用核聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程，因此意义和影响十分重大。这也是人类第一次以大规模制造清洁能源为目标的核聚变反应实验。

ITER将采用1968年由苏联人发明的托卡马克装置。托卡马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”，高温产生的等离子体就被约束在类似于面包圈的磁笼中。托卡马克装置通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。ITER中的托卡马克装置是一个直径超过12米、容积达837立方米的环形容器，里面环绕着超导电磁线圈。托卡马克装置外部的磁体能产生强烈的螺旋形磁场，能够约束热核聚变中产生的超高温等离子体。为了打造这一巨大的磁性笼子，ITER项目需要超过10000吨的铌合金来制作超导线圈，并且要用低温液氦来降温。

ITER的模拟图

核聚变始终充满争议，特别是项目往往需要源源不断的巨额投入。单单是ITER就需要100亿美元。

无论如何，如果ITER的团队能够在反应堆成功取得实质性突破，那么最终实现核聚变发电的梦想也许就为期不远了。

（二）美国国家点火装置——美国“人造太阳”

20世纪70年代，科学家开始利用强大的激光束进行试验，压缩和加热氢的同位素，使其达到熔点，这一技术被称作惯性约束核聚变。激光发射器的作用就是促使这种核聚变快速和持续产生，包含氘和氚气体的目标物受到外部的刺激后，将发生爆炸形成冲击波，进一步加快目标物核心的燃烧，这种燃烧的持续时间也更长。

目标靶室由厚达10厘米的铝板制成

工人向目标靶室内装填“人造太阳”的核心装置

2009年，被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF）完成了首次综合点火实验——192束激光发射的能量打造出600万摄氏度高温，这相当于恒星或大行星核心的温度。NIF作为全球最大的激光核聚变装置，从1997年开始建造，于2009年5月29日建成。整个计划花了22亿英镑（约合人民币235亿元），如此不惜代价，是因为这个计划不仅是为了研究如何驾驭太阳的能量，还承载着人类的清洁能源之梦。

NIF是一栋10层楼高的建筑物，其面积相当于3个足球场。它是全球“人造太阳”试验的中心，有一套十分先进的电脑自动控制集成系统。

NIF内部设有130吨重的目标靶室，这是“人造太阳”计划最核心的部分。靶室里的中心孔洞直径达10米，用30厘米厚的混凝土掩埋，旁边有192个激光器向其中发射激光，以点燃反应堆，并促使包含氘和氚气体的目标产生极高的温度和压力。

这个靶室的条件将接近或达到太阳内部核聚变反应时的条件。电脑自动控制集成系统保证了试验的稳定性，因为850台电脑能确保激光器发射激光的间隔不超过50微秒。

“人造太阳”启动时，192束激光束瞄准一个只有花生大小却包含氘和氚气体的小球体。这个小球体释放的能量高达1.3兆焦，其核心最高温度大约是600万摄氏度。

尽管这次点火试验没有能够达到太阳中心温度2700万摄氏度，也没有引发期待中的持续性核聚变反应，但试验结果依然非常振奋人心。科学家有决心在今后实现预期目标。

一旦设想中的核聚变成为现实，NIF内靶室的温度会超过1亿摄氏度，内部压力将超过地球大气压的1000亿倍。

“人造太阳”试验的意义不言而喻，一旦我们掌握了实现太阳内部核聚变的技术，我们的子孙后代将享受到科技飞跃发展带来的成果，能源短缺的时代将一去不复返。

据NIF的科学家估计，使用核聚变反应堆的发电站将在2020年开始运行，到2050年将有25%的美国民用能源由核聚变提供。

（三）中国磁约束核聚变研究达到国际先进水平

先进超导托卡马克实验装置（EAST），是中国研究、开发核聚变能源的主要实验装置。EAST于2006年初建成，它是世界上第一个建成的全超导非圆截面核聚变实验装置，其意义就在于在探索人类最终解决能源问题的征途上，中国人又迈出了一大步。

中国磁约束核聚变装置

2006年9月26日，EAST在安徽合肥首次放电，成功获得了电流超过200千安、时间近3秒的高温等离子体放电，成为世界上第一个正式投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置，标志着中国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。EAST比ITER在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克装置，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10年至15年。

2009年6月20日，中国科学家又在中国第一个具有先进偏滤器位形的非圆截面托卡马克装置——中国环流器二号A装置上，首次实现了偏滤器位形下高约束模式运行。专家指出，这是中国磁约束核聚变实验研究史上具有里程碑意义的重大进展，标志着中国磁约束核聚变能源开发研究综合实力与水平已经得到极大提高。

磁约束核聚变若按照普通的低约束模式运行，其装置规模极为庞大，加热及控制技术难度极高，建造及运行成本极为昂贵。高约束模式是实现核聚变能源开发的关键一步，一直是核聚变科学领域的前沿研究难题。正在规划建设中的国际大科学工程ITER就将采用高约束模式运行。

要实现高约束模式运行，就必须改善位形、密度、杂质、再循环等的控制，还要使电源、器壁处理、偏滤器抽气及诊断等能力同时达到较高水平。为此，近几年来，中国科学家一直在潜心进行实现高约束模式的研究，开展了大量艰苦细致的工作。核工业西南物理研究院坚持自主创新，在中国环流器二号A装置上完善了实验条件，进一步提高了装置性能。中国科学家继2003年实现偏滤器位形放电后，又瞄准核聚变前沿领域，自主研制了中国国内输出功率最大的中性束和电子回旋加热系统，并终于在中国环流器二号A装置上，首次实现了高约束模式运行。中国实现了偏滤器位形下高约束模式运行，这不仅为开展国际核聚变界热点问题的研究创造出一个全新的平台，而且为更高水平的核聚变研究创造了条件，同时也必将加快中国核聚变能源研究的步伐。

实现高约束模式运行的中国环流器

三、核聚变相关技术难关

产生和控制核聚变反应，实现聚变能的应用，是一项艰巨而复杂的科学技术任务，涉及众多的尖端科学技术难题。

（一）超高能量的必要性和危害性

聚变燃料在“磁笼”以三种不同方式同时燃烧：电子线路发射电流穿过等离子体、微波加热以及环形磁场线圈周围的微粒加速器发射高能原子对其进行轰击。即使多策并举，时至今日，所有的托卡马克装置都没有产生太多的核聚变能。为了获得更大的突破，ITER将会启动一部更加巨大、密度更强的等离子环形磁场线圈。假如计划全部实现的话，则需要多10倍的能量才能激发出等离子。

如此高的能量会给ITER带来威胁，因为“磁笼”并非牢不可破。活动剧烈的等离子体会发射出X射线，溢出带电粒子。而且，聚变反应将产生电中性且不受磁力吸引的高能中子。尽管有“磁笼”约束，ITER的等离子体很可能会以极高的热量将外壁炸开，其破坏力将远远超过此前任何一种托卡马克装置或常规核裂变反应堆。

解决能量问题的方案貌似简单：用水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸汽。

在这个方案中，高压水管应被放置于距不锈钢内壁不超过2．5厘米的地方，否则中间的钢板就会因温度太高而变软。

不过，这一措施对直接面对等离子体的内层钢板不起作用。射入的等离子体会激发钢板上的金属原子并将之送进反应盒，污染那里的燃料并降低聚变反应的强度。为此，ITER研究团队选择用铍制成的瓷砖贴在墙壁上。虽然对人体有毒，但铍却非常适合抑制等离子体破坏。它是一种轻元素，其原子质量非常接近氘和氚的原子质量。所以，尽管部分铍会从墙壁上爆发出去，但不会扑灭反应堆的火焰。

（二）使反应仓坚不可摧

钢板和铍板都会被通过的电流和磁场的机械力量击伤。每块金属板还要承受巨大的压力，因此它们必须非常牢固。

反应仓的底部也需要高强度的装甲板，并使用一种称作“偏滤器”的特殊装置以保持等离子体的纯度。核聚变反应的主要副产品是氦核，如果积累太多的话，将会扑灭反应中的核子烈焰。偏滤器的作用在于过滤掉等离子体的最表层，将其冷却并吸走，从而移除掉“氦垃圾”和其他杂质。偏滤器表面将非常灼热，如果单单是铍将很容易熔化，因此要覆盖上熔点高达3000开的钨丝和碳纤维。

（三）克服“边缘局部化模态”的破坏力

托卡马克装置内部的等离子体在很多方面都和太阳相似，例如线圈也会突然产生一种称作“边缘局部化模态”的剧烈反应。在0．001秒的瞬间，等离子体线圈表面迅速膨胀，并释放出大量的粒子。“看起来就像太阳耀斑一样。”

虽然单个的“边缘局部化模态”非常短暂，但其放射的能量也足以使表层的铍、钨或碳瞬间蒸发。假如“边缘局部化模态”每秒钟会出现几次的话，最坚固的装甲也会灰飞烟灭。

DIII－D托卡马克装置内部

ITER团队计划将冰块投进燃烧的火焰中来解决这个问题。该技术在20世纪90年代曾应用于德国一个称作“偏滤器实验器”的反应堆。与其他的托卡马克装置一样，“偏滤器实验器”也需要把燃料放置在等离子体线圈上，为此它安装了一部气动喷枪，将冷却的氘球发射到线圈盒中。

“偏滤器实验器”的研究者发现，当氘球射到等离子体时，会产生像“边缘局部化模态”一样的爆发现象，大量的气体瞬间释放。因此可以通过确定发射氘球的时间和方向来降低“边缘局部化模态”的力度。

当然，这种控制方法也并非完美无缺，“边缘局部化模态”最终会穿透反应堆的内壁，因此必须有另外一种防御方法。2006年，在美国通用原子公司的DIIID托卡马克装置的试验中，物理学家发现他们能够利用反应堆内的一排小磁环来阻止“边缘局部化模态”的集中出现。小磁环放置在保护墙的后面，形成微弱的磁场，扰动等离子体的表面，在一定程度上阻止了“边缘局部化模态”的爆发。不过，科学家还无法从理论上清楚地解释这种现象。

上述两种方法在英国JET核聚变反应堆被进一步改进，但最终的试验将在ITER进行，以验证它们能否在不释放太多等离子体和影响核聚变反应的前提下控制住“边缘局部化模态”。

（四）令人不寒而栗的中子爆炸

中子是另一个潜在的威胁。核聚变反应堆芯产生的高能中子会使整个反应堆温度升高，破坏它们碰到的任何结晶体，坚硬的金属也会变得脆弱不堪。反应堆引发的中子爆炸将远比我们在地球上看到的一切爆炸都更加剧烈。整个反应堆会不会被炸得粉身碎骨呢？

科学家深信这种情况不会发生，因为保护壁会采用奥氏体不锈钢。这是一种用于家庭餐具上的钢材，具有高弹性晶体结构，即使在很多原子遭到破坏的情况下仍具有足够的强度。这种不锈钢的抗击打能力是非常强的。

四、实现受控热核聚变能源的进展

前面谈到等离子体研究的巨大进展，主要是在大型托卡马克装置上取得的。而建造这种装置要采用诸多高精尖技术，且耗资巨大。随着研究工作的深入和更大规模装置的建造，核聚变堆等离子体工程技术和诊断的要求愈来愈高，这些技术涉及大型磁体、大体积超高真空、长脉冲高功率离子加速和射频技术、等离子体控制工程等。因此，建成和运行这些大型装置也标志着等离子体工程技术得到了高度的发展。

随着等离子体研究的进展，核聚变界逐渐关注核聚变堆工程技术的研究。20世纪70年代后期以来，研究人员在堆设计、各种材料研究、包层技术、氖技术和远距离操作技术等方面进行了大量研究工作。至此，人们认为世界核聚变界的努力已经积累了足够的知识，能够建造一座具有点火条件等离子体的实验性核聚变堆，其堆芯能够长脉冲运行。规模空前的国际合作计划ITER就从此开始了。从1988年开始至今已取得很大进展，大大推动了核聚变能源的开发。美国能源部的日程表是2025年运行示范堆，2040年运行商用堆。俄罗斯的时间表大体与此相同。经过各国科学家近半个世纪的共同努力，核聚变研究也已从科学实验阶段进入了能源开发阶段。这项人类征服自然的伟大事业取得成功已经不是那么遥远了。

与此同时，我们对于开发核聚变能的艰巨性和复杂性，还要有充分的了解。

比如，从工程和经济的角度出发，要求聚变堆应能稳态（以天、周、月计）、长脉冲（以小时计）运行。但迄今为止得到的高参数等离子体还只是存在几秒至几十秒。现在尚不清楚，在长脉冲实验中，良好的约束状态能维持多久；约束能不能使等离子体保持低杂质含量并顺利将“灰”排出。这些问题要在下一代实验装置（如ITER）中进行研究。

又如，在堆工程上，为了充分发挥核聚变能源在安全、环境上的优势，发展新型的低放射性结构材料以取代不锈钢，就必须研制、建造昂贵的核聚变材料辐照试验装置。

不管怎样，人类社会发展迫切需要开发新的可靠的长远能源。而物质中蕴藏的核聚变能迟早会为人类所用。