“人造小太阳”是怎样炼成的

易鹏

自然界中最容易实现核聚变的地方是太阳，因为太阳发光发热的原理就是核聚变，而且已经持续了50多亿年。我们为了利用太阳核聚变产生的光和热而发明了太阳能电板、太阳能热水器、太阳能路灯和还未实现的太阳能汽车等等，但这远不是利用核聚变能的终极手段。真正的开始，应该是人类去操控核聚变过程，将核聚变这一不可控的过程变成可控的过程。那么，核聚变如何才能从不可控变为可控呢？

核聚变怎样才算可控

想必大家都听说过“氢弹”，它的原理就是不可控的核聚变。那么，怎样才算可控的核聚变呢？可控的核聚变就是我们可以控制核聚变的开启和停止，并且可以随时控制核聚变的反应速度。打个比方，同样是火药，我们可以利用其高能量瞬间爆发出的破坏性来制造炸弹，也可以掺点杂质， 做成蜂窝煤，使其可以在煤炉里缓慢释放能量，想让它烧就烧，想让它灭就灭，这个可控的秘诀就在蜂窝煤炉的炉门上。同理，将这个蜂窝煤炉的燃料换成核燃料，烧上开水，让开水变成蒸汽去推动轮机发电，这便是当今核电站的基本原理雏形了。

因此，科学家们就希望发明一种可以有效控制“氢弹爆炸”过程的装置，让能量持续稳定地输出，实现“人造小太阳”。

“人造小太阳”为何难问世

核聚变反应的原理很简单，也很好理解：持续加热反应体，达到上亿的温度，使氚的原子核和氘的原子核以极快的速度运行，赤裸裸地发生碰撞，产生新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。一段时间后，核聚变的温度足够让原子核继续发生聚变，实现“自给自足”。只要能及时排除氦原子核和中子，在反应体中输入新的氚和氘的混合气，核聚变就能持续下去，产生的能量一小部分留在反应体内维持链式反应，其余部分则可以输出，作为能源来使用。

托卡马克装置

仿星器

环形球

看起来似乎很简单，但这里涉及到2个问题：

1.怎样将核聚变的原料加热到上亿摄氏度去点

燃炉子里面的燃料？

2.用什么容器来盛放上亿摄氏度的核聚变原料？

20世纪60年代，激光器的问世为如何将物质加热到极高能量打开了一条门缝。苏联专家最早开始考虑激光加热的方法，因为该方法能量大，而且无需与被加热物质接触。简单地说，该方法类似于拿阳光聚焦之后点燃木屑一样。但单个激光器的能量太低，需要将多个激光器的能量聚焦于同一点。目前，美国在该领域的研究进展是最快的，其“国家点火装置”正在进行将192个激光器聚焦于同一点的实验。而我国正在试验的“神光三号”项目——是将32个激光器聚焦，下一个目标是48个。该问题看似简单，实则非常困难，因为即便是美国将192个激光器聚焦于同一点，还远远不能达到上亿摄氏度。

第2个问题，我们拿什么来盛放超高温物质？上亿度的物质足够烧毁任何与其接触的东西。那么就算能将这些反应燃料点燃，又能拿什么来盛放它？超导托卡马克装置的研制为实现上亿度物质的存放提供了可能。为了将物质固定在一个密闭的空间中，它通过将物质约束在一个密闭的环中使其高速旋转，从而实现变相盛放。然而，超导托卡马克装置的研制进展比较缓慢，要想实现存放上亿度的物质，任重而道远。

如果这2个问题都能够得到解决，那么还将面临一个更加严峻的问题：在第一个问题的解决方案中，“神光三号”属于惯性约束过程，需要聚变物质静止于指定的标靶位置等待加熱并点燃。而第二个问题的解决方案的超导托卡马克装置属于磁约束过程，如果聚变物质静止下来，则无法在磁场中受到相应的洛伦兹力等作用，难以被约束在一个指定的密闭空间里。这2种分别针对2个难点的方案，完全没有办法结合起来。

“人造小太阳”可能的问世之法

虽然“人造小太阳”迄今还未制造出来，但是科学家们并没有气馁。他们不断实验，不断创新，研究出了多种可能实现的方法。

●磁约束核聚变

磁约束核聚变是当前开发聚变能源中最有希望成功的方法。它是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的，处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使之受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。自20世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、球形环等，其中环形磁约束装置（托卡马克）是目前各个实验方案中最为成功的方法。

磁約束设备比较大，但反应持续性能好，不需要反复点火，适合作为核电站、大型船舶的供电系统。其缺点在于开关火性能不佳，灵活度不够，而且维持强磁场所需的电能成本也不低。

●惯性约束核聚变

这一方法是把几毫克的氘和氚的混合气体装入直径约几毫米的小球内，然后从外面均匀射入激光束或粒子束，球面内层因而向内挤压。球内气体受到挤压后，压力升高，温度也随之急剧升高。当温度达到点火温度时，球内气体发生爆炸，产生大量热能。这样的爆炸每秒钟发生三四次，并持续不断地进行下去，释放出的能量就可以达到百万千瓦级的水平。我国著名科学家王淦昌就是这一理论的奠基人之一。

在惯性约束核聚变中，激光约束技术最为成熟。因为激光技术能产生聚焦效果良好且能量巨大的脉冲光束，所以我国的神光装置以及美国的国家点火装置都采用这种核聚变约束形式。

惯性约束核聚变的好处在于设备不必大，而且开、关火控制性能也比较好，适合未来用于飞行器等领域。但缺点是能源消耗量大，燃料靶丸制造成本高。

●聚变裂变混合堆

聚变裂变混合堆就是利用聚变反应产生的中子，在聚变反应室外的铀-238、钍-232包层中，生产钚-239或铀-233等核燃料，同时释放出裂变能。

聚变裂变混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多对等，因而它对聚变的要求比纯聚变堆低，是实现聚变能商业应用的捷径。

●核爆聚变电站

核爆聚变电站就是利用聚变装置爆炸释放的能量来发电。在设想的电站当中，核装置在一个巨大的洞室中爆炸，爆炸之前往洞中喷洒液态金属钠，并使钠在爆炸时能在爆炸装置的周围形成一定的分布，从而大量吸收爆炸的能量，同时还可以有效降低爆炸冲击爆破洞壁的强度。

爆炸后，把加热了的钠从洞中抽出，与电站第二回路形成热交换，从而发电。但要实现核爆聚变电站，还需要解决很多问题，例如核燃料的生产和回收问题、核爆炸转换为热能和电能的安全问题、工程技术问题等。

美国NIF装置布局示意图

中国神光-Ⅲ装置布局示意图

我国研发的“神光三号”惯性约束核聚变激光驱动装置

除了以上几种利用聚变能的方法外，科学家还研究了重力场约束型核聚变、常温核聚变、L子催化核聚变、超声波核聚变以及气泡核聚变等聚变方法，这些都是人们试图实现可控的核聚变，实现能量持续平稳输出的有益尝试。相信通过科学家的接力研发，用上取之不尽、用之不竭的清洁能源将不再是梦想。