核聚变能利用离我们还多远？

巴黎气候变化大会帷幕落下，抵抗气候变化的协议顺利达成，近200个缔约方领着各自的任务回了国。除了通过政治倡议由上而下地促使全球迈向低温室气体排放时代，最根本的问题仍在于发挥科技力量找到人类可以持续利用的真正的绿色能源，核聚变能便是聚焦了科学界最多关注的新能源之一。

　　很多人知道的是，核裂变和核聚变都能产生巨大能量，太阳产生的能量便是聚变的产物，而原子弹和核裂变发电厂就是运用了核裂变的原理。但相比之下，核聚变所产生的能量更大，而且，由于使用的燃料不具有放射性，所以也不会产生带放射性的核废料。

　　以科学研究的累累硕果享誉世界的德国马克斯普朗克研究所（Max Planck Institute）在最近的一次核聚变试验中，通过其等离子物理分所里一台Wandelstein X-7“仿星器”装置，利用1.8兆瓦激光脉冲对1毫克氦气加热，成功地将氦等离子体在十分之一秒的时间内迅速升温至100万摄氏度，这意味着，人类朝着核聚变能的应用又迈进了重要一步。

　　Wandelstein X-7“仿星器”

　　1亿摄氏度和1000秒

　　电离是电子离开原子核的过程，电离后的物质就由带正电的原子核和带负电的电子组成，在形态上，等离子体异于固体、液体和气体，是状似“浆糊”的第四态物质，因此等离子体也被称为电浆。

　　1950年发明的仿星器(Stellarator)的原理就是模仿恒星，利用巨大的电磁室来进行受控核聚变反应研究。实验室的未来目标是把被约束起来的氢同位素氘加热到1亿摄氏度的高温，创造类似在太阳内部发生核聚变的必要条件，继而持续产生能量。

　　有资料举例，如果令一升海水中提取出来的氘作为燃料发生完全核聚变，那么将释放相当于300升气候燃烧时所释放的能量。

　　中国科学院合肥物质科学研究院副院长李建刚曾向媒体表示，假如每年要烧100万吨煤用于发电，那么如果用核裂变代替煤电能源一年需要5吨铀，但用核聚变一年只要100公斤的重水。

　　可见，核聚变能具备为人类源源不断提供高效能源的潜力。但是，由于核聚变受控难度巨大，人类离用上核聚变能产生的电力还有很长一段距离。

　　简单地说，要稳定地利用核聚变必须首先满足两个条件。一是把氚或氘的等离子体瞬间加热到1亿摄氏度，二是至少持续1000秒以达到持续反应。可见，受控核聚变的一个核心课题是等离子体的约束技术。

　　过去半个多世纪里，科学家从未停止过对利用核聚变能的探索。但是，得到核聚变能所需要的温度之高和离子受控的难度之高共同决定了这项实验的漫漫长路。

　　德国9年前便开始在东北部城市格赖夫斯瓦尔德建造Wandelstein X-7，去年5月组装完成进入运行准备阶段，目前已经在该研究上花费了10亿欧元，德国联邦政府承担了其中70%的费用。

　　“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划

　　ITER计划

　　事实上，欧洲另外一个主要的聚变项目是1985年在法国南部卡达拉舍启动的“国际热核聚变实验堆”（ITER）计划。该计划将持续35年，目前已投入超过200亿欧元。我国也于2006年参加了ITER计划，和欧盟，美国，韩国，俄罗斯，日本及印度公共开发该项目。

　　在ITER计划中，中国主要承担装置的导体生产。日本三菱重工则在神户造船厂的二见工厂里为ITER生产体积庞大的核心部件“环向场线圈”。

　　中科院等离子体物理研究所的网站显示，12月1日，中国顺利交付了ITER校正场线圈（CC）最后一根导体，这标志着中方完成了ITER第三个采购包CC导体的所有工作。

　　ITER的核心装置是一个能够产生大规模核聚变反应的超导托克马克（Tokamak），该装置由苏联人于上世纪50年代发明，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，内部在通电时会产生巨大的螺旋磁场，将等离子体加热到极高温度完成核聚变。

　　和托克马克相比，德国Wandelstein X-7装置的最大特点是可以连续约束超高温等离子体长达30分钟，而托克马克的约束时间仅为6分30秒。

　　中国全超导非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

　　中美积极参与

　　除了欧洲之外，美国也是核聚变能开发的重要参与者。

　　美国的核聚变研究主力，一个是该国能源部耗资40亿美元在加州利弗莫尔建造的国家点火装置，也是世界最大的激光核聚变装置。但争议是，利用该技术研制的氢弹，用激光点火爆炸后不会产生放射性裂变物，属于不会产生核辐射的“干净的”“常规武器”，并且不受《全面禁止核试验条约》的限制。

　　另一个是五角大楼的重要供应商洛克希德马丁公司旗下专门执行秘密研究计划的臭鼬工厂（Skunk Works）。去年10月，臭鼬工厂宣布对其核聚变能源反应装置的体积进行了紧凑型设计。甚至称能在10年内生产出直接装在卡车后面的小型反应堆。

　　中国同样在核聚变技术上不断取得突破。据新华网11月3日报道，我国自行设计、自主研发的首台大型反场箍缩磁约束聚变实验装置（KTX，中文简称“科大一环”）在中国科学技术大学完成安装调试并进入常态化运行。KTX所利用的反场箍缩，有别于托卡马克和仿星器，是另一类环形磁约束聚变装置。

　　再把时间往前推，可以看到中国在开发核聚变能上几乎从未停止过脚步。1990年，俄罗斯国家研究中心库尔恰托夫研究所把一台T-7托卡马克装置赠送给中国，中国的科学家经过4年的改造，建成了当时世界第四个超导托卡马克HT-7，后又在此基础上建造了世界上第一个全超导非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置HT-7U，2003年更名为EAST(Experimental and Advanced Superconducting Tokamak)。