北京時間10月26日消息，據英國《新科學家》雜誌網站報道
，目前在法國南部卡達拉舍“國際熱核聚變實驗反應堆”建(jian)設(she)工(gong)程(cheng)正(zheng)在(zai)如(ru)火(huo)如(ru)荼(tu)地(di)進(jin)行(xing)著(zhe)。幾(ji)十(shi)位(wei)來(lai)自(zi)世(shi)界(jie)各(ge)國(guo)的(de)最(zui)頂(ding)尖(jian)核(he)能(neng)科(ke)學(xue)家(jia)彙(hui)聚(ju)法(fa)國(guo)，組(zu)成(cheng)實(shi)力(li)強(qiang)勁(jin)的(de)國(guo)際(ji)科(ke)研(yan)團(tuan)隊(dui)，緊(jin)鑼(luo)密(mi)鼓(gu)地(di)開(kai)展(zhan)工(gong)作(zuo)，計(ji)劃(hua)到(dao)2018年製造出一個“人造太陽”。

　　    這zhe一yi熱re核he聚ju變bian實shi驗yan反fan應ying堆dui將jiang會hui利li用yong氫qing的de兩liang種zhong重zhong同tong位wei素su氘dao和he氚chuan來lai產chan生sheng大da量liang能neng源yuan
，理li論lun上shang將jiang為wei人ren類lei提ti供gong豐feng富fu的de清qing潔jie能neng源yuan，不bu僅jin會hui實shi現xian碳tan的de零ling排pai放fang，而er且qie產chan生sheng的de輻fu射she性xing廢fei物wu比bi當dang前qian的de核he裂lie變bian反fan應ying堆dui要yao少shao許xu多duo。

　　一

、核聚變能源前景無限

　　核聚變同核裂變不同，核裂變是一個重原子核分裂成幾個輕原子核的過程，核聚變是幾個輕原子核聚合為質量更重的原子核的過程。 目前世界上的核電站都是通過核裂變方式製造電能的


，但是核聚變比核裂變能產生更多能量，而且更高效、清潔。最常見的核聚變是由氫的同位素氘和氚聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

　　核聚變有著誘人的前景。地球上蘊藏著豐富的核聚變原料。據測算
，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍
，可以說是取之不竭的能源。如果把自然界中的氘用於聚變反應
，釋放的能量足夠人類使用100億年。至於氚
，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。

　　其實早在約100年前
，世界著名物理學家愛因斯坦就預見到在原子核中蘊藏著巨大的能量。1939年
，美國物理學家貝特證實

，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞
，結合成一個氦原子核，並釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現，揭示了太陽“燃燒”的奧秘。

　　於是，製造一個裝置，通過受控熱核聚變反應獲得無窮盡的新能源

，成為全世界許多科學家的夢想。“這就相當於人類為自己製造一個或數個小太陽
，源源不斷從核聚變中得到能量。”

　　國際熱核實驗反應堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)計劃也被稱為“人造太陽”計劃
，由歐盟、中國、美國、日本
、韓國

、俄羅斯和印度等7方共同參與，與國際空間站、歐洲大型強子對撞機、人(ren)類(lei)基(ji)因(yin)組(zu)計(ji)劃(hua)一(yi)樣(yang)，是(shi)一(yi)個(ge)龐(pang)大(da)的(de)國(guo)際(ji)科(ke)技(ji)合(he)作(zuo)項(xiang)目(mu)，需(xu)要(yao)多(duo)國(guo)科(ke)學(xue)家(jia)合(he)作(zuo)才(cai)能(neng)完(wan)成(cheng)。其(qi)目(mu)的(de)是(shi)借(jie)助(zhu)氫(qing)同(tong)位(wei)素(su)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)發(fa)生(sheng)核(he)聚(ju)變(bian)來(lai)獲(huo)取(qu)豐(feng)富(fu)的(de)能(neng)源(yuan)。其(qi)原(yuan)理(li)類(lei)似(si)太(tai)陽(yang)發(fa)光(guang)發(fa)熱(re)，即(ji)在(zai)上(shang)億(yi)攝(she)氏(shi)度(du)的(de)超(chao)高(gao)溫(wen)條(tiao)件(jian)下(xia)

，利(li)用(yong)氘(dao)

、氚(chuan)的(de)聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)釋(shi)放(fang)出(chu)核(he)能(neng)。核(he)聚(ju)變(bian)燃(ran)料(liao)氘(dao)和(he)氚(chuan)可(ke)以(yi)從(cong)海(hai)水(shui)中(zhong)提(ti)取(qu)，核(he)聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)不(bu)產(chan)生(sheng)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)及(ji)核(he)廢(fei)料(liao)。由(you)於(yu)原(yuan)料(liao)取(qu)之(zhi)不(bu)盡(jin)，不(bu)會(hui)危(wei)害(hai)環(huan)境(jing)

，這(zhe)一(yi)計(ji)劃(hua)的(de)實(shi)施(shi)結(jie)果(guo)將(jiang)決(jue)定(ding)人(ren)類(lei)能(neng)否(fou)迅(xun)速(su)地(di)、大規模地使用核聚變能
，從而可能影響人類從根本上解決能源問題的進程，因此，意義和影響十分重大。

　　專家認為，在核聚變反應堆裏，氘、chuandengyuanzijuhehou，bianchenggengzhongdeyuanzi。zhehetongguofenlieershifangnengliangdeheliebianjieranbutong
，renmenxuyaojinxingxuduoshiyanlailejieyouguanfanyingdetexing。ciwai，yaozaidiqiushangshiyongshoukongdehejubianfanyingdui，jiubixubaqitijiaredaochaoguo1億攝氏度。這在工程和材料上的挑戰將非常艱巨，據了解，要建造這一“人造太陽”，需要成千上萬噸的混凝土和鋼鐵，而且還需要多種罕見的物質
，比如鈹、铌、鈦tai和he鎢wu

，以yi及ji低di溫wen液ye氮dan和he液ye態tai氦hai。當dang然ran
，最zui為wei關guan鍵jian的de是shi
，還hai需xu要yao大da量liang核he燃ran料liao。所suo有you這zhe些xie原yuan料liao最zui終zhong將jiang會hui製zhi造zao出chu國guo際ji熱re核he聚ju變bian實shi驗yan反fan應ying堆dui，從cong而er在zai熱re核he聚ju變bian領ling域yu取qu得de重zhong大da突tu破po。

　　二、核聚變難度堪比登天

　　人造太陽的前景如此美好，那麼為什麼我們的電網中還沒有熱核聚變產生的電能呢
？

　　jinguanrehejubianshiyanfanyingduidegainianfeichangjiandan，danshishixianqilaiqueshilingwaiyihuishi。yinweiyuanzihezairehejubianshibingbujiji，meigeyuanzihedoudaiyouyigezhengdianhe
，tamenzhijianhuxiangpaichi。yincizaichangguizhuangtaixiaranglianggeyuanzihejieheqilaijihushibukenengwanchengde。zhiyoudadaojingrendegaowen
，yuanzihecainenghuodezugoudenengliangkefuxianghujiandepaichi
，chenggongzhuangji，zuizhongshixianhejubian。

　　太陽內部也是同樣的場景。在太陽內部
，熱量產生自氫原子核的聚變。但是氫原子核隻有溫度達到開氏1500萬度才會慢慢開始熱核聚變。太陽內部核燃料的消耗非常緩慢
，因此太陽的壽命已經持續了數十億年。

　　然而在核聚變電站
，核燃料需要在人類的時間尺度上進行聚變
，而不能按照宇宙時間尺度進行。相對來講，氫的重同位素氘、氚比氫更容易燃燒，但是

，要想讓氘氚在國際熱核聚變實驗堆內充分燃燒
，溫度必須達到天方夜譚般的開氏1億5千萬度。如此高的溫度將會帶來一係列難以克服的工程難題。特別是，如何控製比太陽內核溫度高十倍的電子和原子核高溫離子體。

　　即使最堅固的建築材料都不能承受超過數百開氏度的溫度。因此科學家提出通過磁場給高溫等離子體編織一個“籠子”。ITER采用了若幹個小型熱核聚變反應堆所采用的設計方法，在這些實驗中已經實現了核聚變所需的恐怖高溫。

　　據悉，國際熱核聚變實驗反應堆將采用1968年由蘇聯人發明的托卡馬克裝置。托卡馬克又稱環流器，是一個由環形封閉磁場組成的“磁籠”，高溫產生的等離子體就被約束在類似於麵包圈的磁籠中。托卡馬克裝置通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，並實現人類對聚變反應的控製。國際熱核聚變實驗反應堆中的托卡馬克裝置是一個直徑超過12米、容積達837立(li)方(fang)米(mi)的(de)環(huan)形(xing)容(rong)器(qi)，裏(li)麵(mian)環(huan)繞(rao)著(zhe)超(chao)導(dao)電(dian)磁(ci)線(xian)圈(quan)。環(huan)形(xing)托(tuo)卡(ka)馬(ma)克(ke)裝(zhuang)置(zhi)外(wai)部(bu)的(de)磁(ci)體(ti)能(neng)產(chan)生(sheng)強(qiang)烈(lie)的(de)螺(luo)旋(xuan)型(xing)磁(ci)場(chang)
，能(neng)夠(gou)約(yue)束(shu)熱(re)核(he)聚(ju)變(bian)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)超(chao)高(gao)溫(wen)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)。為(wei)了(le)打(da)造(zao)這(zhe)一(yi)巨(ju)大(da)的(de)磁(ci)性(xing)籠(long)子(zi)
，國(guo)際(ji)熱(re)核(he)聚(ju)變(bian)實(shi)驗(yan)反(fan)應(ying)堆(dui)項(xiang)目(mu)需(xu)要(yao)超(chao)過(guo)10000噸的铌合金製成的超導線圈
，並且要用低溫液態氦氣來降溫。

　　三、技術難關與解決方案

　　1.超高能量的必要性和危害性

　　聚變燃料在“磁籠”以三種不同方式同時燃燒：電子線路發射電流穿過等離子體、微wei波bo加jia熱re以yi及ji環huan形xing磁ci場chang線xian圈quan周zhou圍wei的de微wei粒li加jia速su器qi發fa射she高gao能neng原yuan子zi對dui其qi進jin行xing轟hong擊ji。即ji使shi多duo策ce並bing舉ju，時shi至zhi今jin日ri所suo有you的de托tuo卡ka馬ma克ke都dou沒mei有you產chan生sheng太tai多duo的de聚ju變bian能neng。為wei了le獲huo得de更geng大da的de突tu破po，國guo際ji熱re核he聚ju變bian實shi驗yan反fan應ying堆dui將jiang會hui啟qi動dong一yi部bu更geng加jia巨ju大da、密度更強的等離子環形磁場線圈。假如計劃全部實現的話，則需要多十倍的能量才能激發出等離子。

　　如此高的能量會給國際熱核聚變實驗反應堆帶來威脅
，因為“磁籠”並非牢不可破的。活動劇烈的等離子體會發射出X射線

，溢出帶電粒子。而且，聚變反應將產生電中性且不受磁力吸引的高能中子。盡管有“磁籠”yueshu，guojirehejubianshiyanfanyingduidedenglizitihenkenenghuiyimeipingfangmishuzhaowadereliangjiangwaibizhakai，qipohuailijiangyuanyuanchaoguociqianderenhetuokamakehuochangguiheliebianfanyingdui。

　　2.如何使反應倉堅不可摧

　　解決能量問題的方案貌似簡單：用水冷回路將熱量轉移至熱交換器，最終形成蒸汽。負責ITER反應器內部食物的馬裏奧
？梅羅拉說：“顯而易見，這就是我們最希望通過核聚變反應所獲取的東西—提取熱能。”

　　但是
，可操作性才是問題的關鍵。反應堆主承重壁，又稱再生區，由440kuaibanmihoudebuxiugangbanzucheng

，bingdingjinhenduogaoyashuiguan。zhexiebuxiugangqiangbijiangxishoujuedabufendezhongzi，zhexiezhongzihuishiqiangbicongneibushengwen。shuiguanxiangjubuxiugangneibibuchaoguo2.5厘米，否則中間的鋼板就會因溫度太高而變軟。

　　zhijiemianduidenglizitideneicenggangbanzebuqizuoyong。sherudedenglizitihuijianggangbanshangdejinshuyuanzijifachubingsongjinfanyinghe，wurannalideranliaohejiangdijubianfanyingdeqiangdu。weici，guojirehejubianshiyanfanyingduiyanjiutuanduixuanzeyongpizhichengdecizhuantiezaiqiangbishang。suiranduirentiyoudu，danpiquefeichangshiheyizhidenglizipohuai。tashiyizhongqingyuansu，qiyuanzizhongliangfeichangjiejindaohechuandeyuanzizhongliang。suoyi，jinguanbufenpihuicongqiangbishangbaofachuqu
，yebuhuipumiefanyingduidehuoyan。

　　鋼板和鈹板也會被通過的電流和磁場的機械力量擊傷。每塊四噸重的金屬板要承受一百噸的壓力
，因此它們必須要牢牢地固定、堅不可摧
，哪怕上麵有安裝水管的洞孔。“再生倉的設計是整個反應堆中技術最難的部分之一。”梅羅拉說。

　　反應倉的底部也需要高強度的裝甲板，並使用一種稱作“偏濾器”的(de)特(te)殊(shu)裝(zhuang)置(zhi)以(yi)保(bao)持(chi)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)純(chun)度(du)。聚(ju)變(bian)反(fan)應(ying)的(de)主(zhu)要(yao)副(fu)產(chan)品(pin)是(shi)氦(hai)核(he)子(zi)，如(ru)果(guo)積(ji)累(lei)太(tai)多(duo)的(de)話(hua)
，將(jiang)會(hui)撲(pu)滅(mie)反(fan)應(ying)中(zhong)的(de)核(he)子(zi)烈(lie)焰(yan)。偏(pian)濾(lv)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)在(zai)於(yu)過(guo)濾(lv)掉(diao)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)最(zui)表(biao)層(ceng)，將(jiang)其(qi)冷(leng)卻(que)並(bing)吸(xi)走(zou)
，從(cong)而(er)移(yi)除(chu)掉(diao)“氦垃圾”和其他雜質。偏濾器表麵將非常灼熱，單單是鈹很容易熔化，因此要覆蓋上熔點高達3000開氏溫度的鎢絲和碳纖維。

　　3.克服邊緣局部化模態的破壞力

　　guojirehejubianshiyanfanyingduidewaibinenggouliyongshuilaijiangwen
，yidiyudenglizixianquanfashechudechixureliang。danzhehaibushifanyingduibixuyaomianduidezuidawenti。tuokamakeneibudedenglizitizaihenduofangmiandouhetaiyangxiangsi，liruxianquanyehuituranchanshengyizhongchengzuo“邊緣局部化模態”的劇烈反應。在千分之一秒的瞬間，等離子線圈表麵迅速膨脹，爆炸出大量的粒子。“看起來就像太陽耀斑一樣。”國際熱核聚變實驗反應堆研究員阿爾伯托
？羅雅特說。

　　“困kun擾rao我wo們men的de問wen題ti在zai於yu釋shi放fang的de粒li子zi不bu僅jin數shu量liang龐pang大da，而er且qie具ju有you一yi定ding的de區qu域yu性xing和he方fang向xiang性xing，可ke能neng會hui產chan生sheng每mei平ping方fang米mi數shu十shi億yi瓦wa特te的de力li量liang
，那na將jiang是shi陽yang光guang照zhao射she地di球qiu功gong率lv密mi度du的de一yi百bai萬wan倍bei。”羅雅特解釋道。雖然單個的“邊緣局部化模態”非常短暫，但其放射的能量也足以使表層的鈹、鎢或碳瞬間蒸發。假如“邊緣局部化模態”每秒鍾會出現幾次的話，最堅固的裝甲也會灰飛煙滅。

　　但是，國際熱核聚變實驗反應堆團隊計劃將冰塊投進燃燒的火焰中來解決這個問題。該技術在上個世紀90年代應用於德國慕尼黑附近加興市一個稱作“偏濾器實驗器”的de反fan應ying堆dui。與yu其qi他ta的de托tuo卡ka馬ma克ke一yi樣yang
，偏pian濾lv器qi實shi驗yan器qi也ye需xu要yao把ba燃ran料liao放fang置zhi在zai在zai等deng離li子zi線xian圈quan上shang，為wei此ci它ta安an裝zhuang了le一yi部bu氣qi動dong噴pen槍qiang
，將jiang冷leng卻que的de氘dao球qiu發fa射she到dao線xian圈quan盒he中zhong。

　　pianlvqishiyanqideyanjiuzhefaxian，dangdaoqiushedaodenglizishi

，huichanshengbianyuanjubuhuamotaiyiyangdebaofaxianxiang，daliangdeqitishunjianshifang。yincikeyitongguoquedingfashedaoqiudeshijianhefangxianglaijiangdibianyuanjubuhuamotaidelidu。“你可以選擇連續性地發射氘球，從而使邊緣局部化模態規模變小
，並降低爆炸的破壞力。”羅雅特說。

　　當然，這種控製方法也並非完美無缺：邊緣局部化模態最終會穿透反應堆的內壁，因此必須要有另外一層防禦設施。2006年
，在位於美國加州聖迭戈通用原子公司的DIII-D托tuo卡ka馬ma克ke試shi驗yan中zhong，物wu理li學xue家jia發fa現xian他ta們men能neng夠gou利li用yong反fan應ying堆dui內nei的de一yi排pai小xiao磁ci環huan來lai阻zu止zhi邊bian緣yuan局ju部bu化hua模mo態tai的de集ji中zhong出chu現xian。小xiao磁ci環huan放fang置zhi在zai保bao護hu牆qiang的de後hou麵mian
，形xing成cheng微wei弱ruo的de磁ci場chang，擾rao動dong等deng離li子zi的de表biao麵mian，在zai一yi定ding程cheng度du上shang阻zu止zhi了le邊bian緣yuan局ju部bu化hua模mo態tai的de爆bao發fa。“我們還無法從理論上清楚地解釋這種現象。”羅雅特說。

　　上述兩種方法在英國牛津附近的JET聚ju變bian反fan應ying堆dui被bei進jin一yi步bu改gai進jin，但dan最zui終zhong的de試shi驗yan將jiang在zai國guo際ji熱re核he聚ju變bian實shi驗yan反fan應ying堆dui進jin行xing，以yi驗yan證zheng它ta們men是shi否fou能neng夠gou在zai不bu釋shi放fang太tai多duo等deng離li子zi和he影ying響xiang聚ju變bian反fan應ying的de前qian提ti下xia控kong製zhi住zhu邊bian緣yuan局ju部bu化hua模mo態tai。

　　4.令人不寒而栗的中子爆炸

　　zhongzishilingyigeqianzaideweixie。jubianfanyingduixinchanshengdegaonengzhongzihuizhenggefanyingduiwendushenggao，pohuaitamenpengdaoderenhejiejingti，jianyingdejinshuyehuibiandecuiruobukan。fanyingduiyinfadezhongzibaozhajiangyuanbiwomenzaidiqiushangkandaodeyiqiebaozhadougengjiajulie—整個反應堆會不會被炸得粉身碎骨呢

？

　　meiluolashenxinzhezhongqingkuangbuhuifasheng。baohubihuicaiyongaoshitibuxiugang。zheshiyizhongyongyujiatingcanjushangdegangcai，juyougaodanxingjingtijiegou，jishizaihenduoyuanzizaodaopohuaideqingkuangxiarengjuyouzugoudeqiangdu。“奧氏體不鏽鋼抗擊打能力是非常強的。”梅羅拉說。

　　核聚變始終是充滿爭議
，特別是由於需要源源不斷的巨額投入。單單是國際熱核聚變實驗反應堆就需要100億美元。懷疑論者還指出，核聚變支持者於二十世紀五十年代就提出會開發出取之不盡、用之不竭的清潔能源。但半個多世紀過去了，實現的前景仍然遙遙無期。

　　國(guo)際(ji)熱(re)核(he)聚(ju)變(bian)實(shi)驗(yan)反(fan)應(ying)堆(dui)團(tuan)隊(dui)顯(xian)然(ran)希(xi)望(wang)這(zhe)一(yi)天(tian)盡(jin)快(kuai)到(dao)來(lai)。如(ru)果(guo)他(ta)們(men)能(neng)夠(gou)在(zai)反(fan)應(ying)堆(dui)成(cheng)功(gong)取(qu)得(de)實(shi)質(zhi)性(xing)突(tu)破(po)，最(zui)終(zhong)實(shi)現(xian)核(he)聚(ju)變(bian)發(fa)電(dian)的(de)夢(meng)想(xiang)也(ye)許(xu)真(zhen)的(de)為(wei)期(qi)不(bu)遠(yuan)了(le)。