国防科普加油站（42） 可控核聚变：“无限的能源”梦想

2022年2月9日，英国原子能研究所发布消息称，在最近一次核聚变发电实验中，欧洲联合核聚变实验装置（JET）在5秒内产生了59兆焦耳的持续能量，大约能够为一个普通家庭提供一天的电力，创造了核聚变能量新的世界纪录。有关专家认为，该项实验结果证明人类获得这一无限的清洁能源是可能的。

图1 欧洲联合核聚变实验装置（JET）

所谓可控核聚变，是指在一定条件下控制核聚变的速度和规模，能实现安全、持续、平稳能量输出的核聚变反应，具有原料充足、经济实惠、安全可靠、无污染等优势。在能源需求量日益增加、能源短缺日趋严重的今天，通过可控核聚变技术获得清洁而无限的能源，将为人类解决能源问题提供一种极具潜力的途径，尽管技术难度极高，目前尚处实验阶段，却被科学家寄予厚望，被视为“21世纪人类最狂野的能源梦想”。

从核裂变到核聚变，新的能源曙光初现

人类自进入工业社会以来，以化石燃料为核心的能源不断应用于人们的生产生活中，助推着工业文明发展和科学技术进步。然而，随着需求的不断扩大，煤炭、石油、天然气等传统能源的储量正在不可逆转地减少，其燃烧产生的粉尘、氮氧化物、二氧化硫等空气污染物，对人类的健康与生存造成严重影响。

寻找新能源特别是清洁能源一直是科学家努力探索与追求的目标。20世纪30年代末，德国著名化学家奥托·哈恩和他的助手在居里夫人的实验基础上，发现了核裂变现象。即当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，同时产生2-3个新的中子，在这个过程中，质量会发生亏损而释放出巨大能量。此后，以美籍意大利著名物理学家恩利克·费米为首的一批科学家，根据奥托·哈恩发现的核裂变原理，在美国建成了世界上第一座“人工核反应堆”。研究表明，1克铀-235充分核裂变后，释放出来的能量相当于2.8吨标准煤燃烧释放的能量。如果将核裂变用于发电，那么，它比煤炭消耗要小得多。但问题是核裂变反应所需的裂变燃料储量有限，产生的核废料存在放射性，难以处理，一旦泄漏，将会对生态环境造成难以逆转的影响，因此，将核裂变用于发电并不可行。

1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，如果把1个氘原子核经过加速器加速后与1个氚原子核碰撞，会形成1个氦原子核并释放1个自由中子，同时还能释放出17.6兆电子伏的能量，这一被称“核聚变”的过程，不仅揭示了太阳持续45亿年发光发热的原理，更让人们看到了核聚变可以释放巨大能量的潜力。随着现代科技的不断进步，在科学家通过不懈探索和大量实验，逐步在可控核聚变技术研究方面不断取得突破性进展，围绕可控核聚变的研究与应用，开启了一场新的科技竞争。虽然离实际应用还有很长的路要走，但新型能源的曙光已初见端倪，给人们带来了无限的遐想。

实现可控难度极大，一旦突破优势惊人

核聚变的原理并不复杂，但相比核裂变，它对聚变条件的要求却相当苛刻，不仅需要有上亿度的高温条件，而且还要求等离子体密度足够大、在有限空间里被约束时间足够长。实现可控、持续核聚变“难于上青天”。

苛刻的聚变条件成为阻挡可控核聚变技术进步的“拦路虎”，但困难从不是科学家停止探索的理由。20世纪初，一种名为“托卡马克”的聚变装置由前苏联科学家研制出来了，此后，科学家们依托该装置不断地实验研究与应用开发，成功获得了越来越高聚变功率输出，证实了使用磁约束方式获得聚变能源输出的科学可行性，为可控核聚变技术的突破打开了一扇大门。

1960年，物理学家将爱因斯坦的“受激辐射”理论变成了现实，激光出现了，这一重大发明有力推动了相关技术的发展，也使可控核聚变研究有了一种新手段――惯性约束聚变，即通过激光驱动惯性约束核聚变把直径为毫米量级的聚变燃料小球均匀加热到1亿度以上，密度压缩到几百倍固体密度。1972年，美国科学家纳科尔斯等人提出了球型内爆等熵压缩的理论，使惯性约束核聚变得到快速发展，美国国家点火装置（NIF）等研究机构根据这一理论，实现了内爆压缩的核聚变。

图2 世界上最大的激光驱动惯性约束聚变装置—美国国家点火装置（NIF）

作为一项颠覆性能源获取技术，可控核聚变被认为是第四次工业革命的突破口，使得世界上许多发达国家趋之若鹜。尽管还有许多核心关键技术需要突破，但它在彻底解决能源问题的独特优势已经显现了出来。

聚变原料充足。在自然界中，氢的同位素“氘”和“氚”是最容易实现聚变反应的。作为核聚变原料，氘在地球上的含量相当丰富，仅海水中的含氘总量就多达40万亿吨，如果把海水中的氘全部用于核聚变反应，其释放出的能量足够人类使用上百亿年。氚可由中子和锂反应制造，海水中含有大量的锂。

反应安全可靠。由于核聚变堆可设计次临界运行，在聚变反应高达上亿度的超高温条件下，如果温度达不到反应条件或某一环节出现问题，反应就会自动终止，而不会产生其他破坏性的影响。科学家通过实验已经证明，聚变反应只能在这种极端条件下发生，因此不可能出现“失控”链式反应。此外，核聚变反应依赖燃料的连续输入，一旦终止，核聚变反应几秒内就停止了，因此该过程本质上是安全的。

生产应用无污染。科学家在长期的研究与实验中已经证明，在氘氚核聚变过程中主要产生氦，而氦没有污染性，因此它不会产生任何有毒气体或者温室气体。因此，通过核聚变产生的能源，不仅是一种无限的能源，还是一种清洁的能源。

“萌芽”中的高技术，军事领域的“潜力股”

可控核聚变技术的研究经历了漫长的发展历程，目前仍处于“萌芽”阶段，尽管距离实际应用还有一些距离，但西方发达国家已开始超前谋划布局，以便抢占新的科技制高点，他们认为，可控核聚变作为一种新能源，在国防和军事领域同样具有无限的应用前景。

提升武器装备动力性能。大型军用运输机是现代战场上的重要战略装备，具有起飞重量大、航程远等特点，未来如果可将可控核聚变装置实现长周期稳态运行，解决其对点火约束条件与材料研制的技术瓶颈，并实现小型化，则可运用在大型运输机的核能发动机上，在机身气动与结构不变的情况下，将提高推力载荷，允许更大的起飞质量，缩短起飞距离，极大提高大型军用运输机的航程、运载量。

实现全电化作战。可控核聚变技术作为一项潜力巨大的前沿颠覆性技术，一旦成熟并实现聚变反应堆小型化，将为实现军队武器装备全电化注入强大动力。与传统武器装备相比，全电化武器装备具备更强的自持能力，尤其是在全电化无人作战装备方面，其可长时间部署于战场，持续发挥效能。全电化作战作为信息化条件下的一种重要作战模式，以激光、电磁、脉冲等新概念武器为代表的全电化作战力量以电能作为“弹药”，将颠覆传统作战中武器装备对弹药的依赖，聚变燃料利用率高，避免了战场对油料的前送和补给压力，通过给聚变反应堆对武器装备采用接触式或者直接远程充电，后勤保障质效将得到大幅提升。

助力星际航行。自古以来，人类就对外太空的神秘充满好奇。如今，人类已有飞往太空的能力，但现有以化学能为动力的火箭发动机，其推力、速度、航程都不能满足星际航行的需要。如果以目前的火箭速度计算，飞往已知距离最近的处于宜居带内的系外行星，需要6万年时间。未来如果将可控核聚变技术应用于航天领域，将小型聚变反应堆应用到火箭发动机上，为其提供持久、高效、清洁的能源，那么，航天器速度和持续飞行能力则可得到极大提升，探索外太空奥秘、实现星际航行将不再存在能源问题，人类开启星际探索之旅将由梦想变成未来的现实。（作者：王握文、任永存、李杭橙 来源：国防科技大学科普中国共建基地）