【能源史话07】核聚变

【能源史话07】核聚变

作者：科学边角料

# 库兹卡的妈妈

1960年联合国代表大会上，赫鲁晓夫向美国承诺，要让美国人看看“库兹卡的妈妈”，1961年10月30日，美国人看见了。

这一天，美国地震调查局发现，在芬兰岛附近，发生了一场里氏5级左右的地震。但很快，美国的一架侦察机发现，这不是什么地震，正是“库兹卡的妈妈”。

“库兹卡的妈妈”是苏联的俗语，就像中文的“给你点颜色看看”。这次，苏联人想让美国人见识的，是炸弹AN602，所以这枚炸弹在苏联就被戏称为“库兹卡的妈妈”，而在西方它被称作“沙皇炸弹”。

苏联原计划的“库兹卡的妈妈”是一枚1亿吨TNT当量的超级核弹。

但当时1亿吨级核弹的设计方案里，铀元素用量很大，可能会引发比较大的放射性污染。另外，这个量级的炸弹在投弹后，飞行员不可能有足够的时间逃离爆炸现场，基本是有去无回。所以苏联方面修改了炸弹设计，把爆炸当量削减了一半。

美国人见识到的，正是削弱版的“库兹卡妈妈”。但即便是削弱版，它也是人类历史上威力最大的炸弹，它的爆炸当量是5000万吨，是“小男孩”原子弹的3800倍，是二战里所有常规炸弹的总能量的10倍。

“库兹卡的妈妈”爆炸的时候，产生了堪比珠穆朗玛峰的大火球（直径8公里），在1000公里外都能看见核爆的闪光。爆炸产生了一朵巨型蘑菇云，高度是珠穆朗玛峰的8倍多（67公里高），蘑菇头部分宽97公里，爆炸产生的冲击波环绕地球3圈。

之所以有这样的威力，是因为它利用了另一种原子核内的能量，核聚变。

# 核聚变

在前面的内容里，我们提到过核裂变的概念，是一个重原子核分裂成两个轻原子核。而核聚变是倒过来，两个比较轻原子的原子核融合成一个重原子核。这个过程也会释放出巨大的能量。

同样重量的核聚变燃料（一般是氢的同位素氘、氚）能够产生核裂变4倍的能量，比烧石油或煤炭高400万倍[1]。

但核聚变并不容易发生。

在说原子结构的时候我们提到过，原子核都是带正电的，两个原子核想要碰撞融合，必须克服斥力，让它们的原子核靠得足够近。

这就需要提供超高温、超高压，把大量原子核压在一块，增加它们融合的机会。

这种条件在宇宙里并不难找，比如太阳和其他恒星内部，巨大的压力和高温能够维持核聚变反应。但在地球上，想创造这样的条件并不容易。

# 用原子弹引发核聚变

在原子弹爆炸的时候，原子弹中心能够产生上千万度的高温，以及数十亿个大气压的压力。

所以，人们自然会想到，在原子弹的核心旁边放上核聚变材料，利用原子弹爆炸时候的能量，也许能引发核聚变。

1951年5月，一枚叫“乔治”的实验弹被推上了试验台，在原子弹核心，除了用来引发核裂变的材料之外，还有液态氘。科学家们希望通过它验证原子弹能不能引发核聚变。结果，它发出了远超过原子弹的爆炸威力，由此人们确认了，用原子弹引发核聚变是可行的。

因为早期使用的核聚变材料主要是氘和氚之类的氢同位素（后来更多地使用氘化锂），因此，核聚变武器又被称为氢弹。

虽然氢弹是利用了核聚变，但它是不受控制的核聚变，能够作为武器，但不能作为能源来使用。

想要把它用作能源，同样需要驯服这股强大的能量。

# 可控核聚变

核聚变只有在非常极端的条件下才能发生，因此想要驯服这股能量极其困难。主要表现在以下几个方面：

首先，利用核聚变发电的条件太苛刻了。根据费米的计算，想利用核聚变发电，等离子体的温度要被加热到大约5000万摄氏度以上[2]。可在地球的自然环境里，不存在这样的高温环境。

当然了，科学家们能够利用技术手段创造出这样的高温环境，比如通过电场、粒子束、无线电波振荡（类似微波炉的原理）、磁振荡加热等等。

但创造这样的环境，一方面需要消耗大量的能量。另一方面，会带来一个问题，没有任何物质能够盛放被加热后的等离子体。

目前已知的熔点最高的物质是碳化钽铪（Ta4HfC5），它的熔点是4215摄氏度。这个熔点和被加热后的等离子体相比，实在是差太多了。

# 托克马克装置

为了解决这个问题，目前最成熟的方法是用托克马克装置来约束等离子体，这也是目前最有希望成为核聚变反应堆的技术。

下图显示的就是托克马克装置的示意图。

托克马克装置原理。图片来源：Wikipedia

托克马克装置是通过磁场约束，把等离子体束缚在装置内部，成为一个不断流动的圆环。当然了，目前的技术还不足以让核聚变反应自维持，还需要有辅热系统不断加热等离子流（一般用中性粒子束加热）。

目前，我们国家在托克马克装置的开发上，处于相当领先的地位。

中国科学院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置，在2021年5月，实现了在1.2亿度下运行101秒和1.6亿度下运行20秒的记录。

在2021年12月30日，又在接近7000万摄氏度下运行了1056秒，创造了高温等离子体运行的最长时间纪录。

尽管取得了这样突破性的成就，但距离我们使用核聚变发电，还有相当长的路要走。

# Q值

在核聚变发电领域，有一个非常重要的指标——Q值。

一个核聚变反应堆释放的能量和消耗的外部能量比值被称为Q值。Q值等于1的时候，意味着核聚变反应产生的能量等于它消耗的外部能量。

但这时候，并不意味着它能够自我维持发电了，一般认为，当Q值大于5的时候，核聚变反应堆能够自我维持（这个点又被称为点火点）。[3]

但在考虑到热能、动能、电能间的转化，国际上公认Q值要达到10以上核电站才能有收益。而如果想成为商业化的核聚变发电站，Q值还需要达到30以上[吴军，全球科技通史，中信出版集团，2019]。

那到目前为止，人类已经实现的Q值最高记录为0.67，而推算的理论最高值记录是1.25（日本的JT-60，以氘-氘做实验，如果换算成氘-氚，理论值是1.25）。这个值距离核聚变反应堆的自我维持，以及用它来发电还差得很远。

但核聚变发电的诱惑实在是太大了，它和传统能源的差别，就像恒星和行星的差别一样，只要掌握了这种恒星级别的能源，人类的文明将向前迈进一大步。

因此，世界上许多国家的科学家们也在积极开发这种能源。比如，全世界35个国家共同参与的ITER项目，已经开始在法国建造实验室和各种设备了。

建成后，它将是全世界最大的核聚变装置，预计在2036年开始进行全功率核聚变实验，计划能够实现5-10分钟Q值超过10的运转[3]。

人类否能在本世纪驯服这种能源，我们拭目以待。

参考文献：

[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion

[2] McCracken, Garry; Stott, Peter (2012). Fusion: The Energy of the Universe. Academic Press. ISBN 978-0-12-384657-0.

[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf

文章由科普中国-星空计划（创作培育）出品，转载请注明来源