最近，随着我國新一代人造太陽 " 中國環流三号 " 取得重大科研進展，以及一些與核技術相關的事件發生，又有不少人關注起了人類的 " 終極能源 " 技術——可控核聚變。
許多人好奇，爲什麽說核聚變是人類的 " 終極能源 " 技術？核聚變的發展曆史是什麽樣的？可控核聚變到底爲什麽 " 難控 "？核聚變要實現到什麽程度，才能真正解決能源問題？下面就讓我們來聊聊這些問題。
庫茲卡的媽媽
1960 年聯合國代表大會上，赫魯曉夫向美國承諾，要讓美國人看看 " 庫茲卡的媽媽 "，1961 年 10 月 30 日，美國人看見了。
這一天，美國地震調查局發現，在新地島附近，發生了一場裏氏 5 級左右的地震。但很快，美國的一架偵察機發現，這不是什麽地震，正是 " 庫茲卡的媽媽 "。
" 庫茲卡的媽媽 " 是蘇聯的俗語，就像中文的 " 給你點顔色看看 "。這次，蘇聯人想讓美國人見識的，是炸彈 AN602，所以這枚炸彈在蘇聯就被戲稱爲 " 庫茲卡的媽媽 "，而在西方它被稱作 " 沙皇炸彈 "。
圖片來源：Wikipedia
蘇聯原計劃的 " 庫茲卡的媽媽 " 是一枚 1 億噸 TNT 當量的超級核彈。
但當時 1 億噸級核彈的設計方案裏，可能會引起比較大範圍的放射性沉降。另外，這個量級的炸彈在投彈後，飛行員不可能有足夠的時間逃離爆炸現場，基本是有去無回。所以蘇聯方面修改了炸彈設計，把爆炸當量削減了一半。
美國人見識到的，正是削弱版的 " 庫茲卡的媽媽 "。但即便是削弱版，它也是人類曆史上威力最大的炸彈，它的爆炸當量是 5000 萬噸，是 " 小男孩 " 原子彈的 3800 倍，是二戰裏所有常規炸彈的總能量的 10 倍。
" 庫茲卡的媽媽 " 爆炸的時候，産生了直徑堪比珠穆朗瑪峰高度的大火球（直徑 8 千米），在 1000 千米外都能看見核爆的閃光。爆炸産生了一朵巨型蘑菇雲，高度接近珠穆朗瑪峰的 8 倍（67 千米高），蘑菇頭部分寬 97 千米。
之所以有這樣的威力，是因爲它利用了另一種原子核反應産生的能量——核聚變能。
圖片來源：Wikipedia
什麽是核聚變？
核聚變是兩個比較輕原子的原子核融合成一個較重原子核。這個過程也會釋放出巨大的能量。同樣重量的核聚變燃料（一般是氫的同位素氘、氚）能夠産生核裂變 4 倍的能量，比燒石油或煤炭高 400 萬倍。 [ 1 ]
太陽的能量就是核聚變産生的。圖片來源：Wikipedia
但核聚變并不容易發生。
在說原子結構的時候我們提到過，原子核都是帶正電的，兩個原子核想要碰撞融合，必須克服斥力，讓它們的原子核靠得足夠近。
這就需要提供超高溫、超高壓，把大量原子核壓在一塊，增加它們融合的機會。
這種條件在宇宙裏并不難找，比如太陽和其他恒星内部，巨大的壓力和高溫能夠維持核聚變反應。但在地球表面，想創造這樣的條件并不容易。
用原子彈引發核聚變
在原子彈爆炸的時候，原子彈中心能夠産生上千萬度的高溫，以及數十億個大氣壓的壓力。
所以，人們自然會想到，在原子彈的核心旁邊放上核聚變材料，利用原子彈爆炸時候的能量，也許能引發核聚變。
1951 年 5 月，一枚叫 " 喬治 " 的實驗彈被推上了試驗台，在原子彈核心，除了用來引發核裂變的材料之外，還有液态氘。科學家們希望通過它試驗原子彈能不能引發核聚變。結果，它發出了遠超過原子彈的爆炸威力，由此人們确認了，用原子彈引發核聚變是可行的。
喬治爆炸時的景象，圖片來源：Wikipedia
因爲最常使用的核聚變反應來自氫同位素氘和氚的聚變反應，因此，這類核聚變武器又被稱爲氫彈。
雖然氫彈是利用了核聚變，但它是不受控制的核聚變，能夠作爲武器，但不能作爲能源來使用。
想要把它用作能源，同樣需要 " 馴服 " 這股強大的能量。
可控核聚變
核聚變隻有在非常極端的條件下才能發生，因此想要 " 馴服 " 這股能量極其困難。主要表現在以下幾個方面：
首先，利用核聚變發電的條件太苛刻了。根據費米的計算，想利用核聚變發電，等離子體的溫度要被加熱到大約 5000 萬攝氏度以上 [ 2 ] 。可在地球的自然環境裏，不存在這樣的高溫環境。
當然了，科學家們能夠利用技術手段創造出這樣的高溫環境，比如通過電場、粒子束、無線電波振蕩（類似微波爐的原理）、磁振蕩加熱等等。
但創造這樣的環境，一方面需要消耗大量的能量。另一方面，會帶來一個問題，沒有任何物質能夠盛放被加熱後的等離子體。
目前已知的熔點最高的物質是碳化钽铪（Ta4HfC5），它的熔點是 4215 攝氏度。這個熔點和被加熱後的等離子體相比，實在是差太多了。
爲了解決這個問題，目前最成熟的方法是用托克馬克裝置來約束等離子體，這也是目前最有希望成爲核聚變反應堆的容器。
托克馬克裝置原理。圖片來源：Wikipedia
托克馬克裝置是通過磁場約束，把等離子體束縛在裝置内部，成爲一個不斷流動的圓環。當然了，目前的技術還不足以讓核聚變反應自維持，還需要有輔熱系統不斷加熱等離子流（一般用中性粒子束加熱）。
目前，在托克馬克裝置的開發方面，我們國家走在世界前列。
中國科學院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，在 2021 年 5 月，實現了在 1.2 億度下運行 101 秒和 1.6 億度下運行 20 秒的記錄。
在 2021 年 12 月 30 日，又在接近 7000 萬攝氏度下運行了 1056 秒，創造了高溫等離子體運行的最長時間紀錄。
在 2023 年 4 月，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置又一次創造新的世界紀錄，成功實現穩态高約束模式等離子體運行 403 秒。
圖片來源：新華社
盡管取得了這樣突破性的成就，但距離我們使用核聚變發電，還有相當長的路要走。
運行之後，還有個關鍵數值
在核聚變發電領域，有一個非常重要的指标—— Q 值。
一個核聚變反應堆釋放的能量和消耗的外部能量比值被稱爲 Q 值。Q 值等于 1 的時候，意味着核聚變反應産生的能量等于它消耗的外部能量。
但這時候，并不意味着它能夠自我維持發電了，一般認爲，當 Q 值大于 5 的時候，核聚變反應堆能夠自我維持。 [ 3 ]
但在考慮到熱能、動能、電能間的轉化，國際上公認 Q 值要達到 10 以上核電站才能有收益。而如果想成爲商業化的核聚變發電站，Q 值還需要達到 30 以上。
那到目前爲止，人類已經實現的 Q 值最高記錄爲 0.67，而推算的理論最高值記錄是 1.25（日本的 JT-60，以氘 - 氘做實驗，如果換算成氘 - 氚，理論值是 1.25）。這個值距離核聚變反應堆的自我維持，以及用它來發電還差得很遠。
但核聚變發電的誘惑實在是太大了，它和傳統能源的差别，就像恒星和行星的差别一樣，隻要掌握了這種恒星級别的能源，人類的文明将向前邁進一大步。
因此，世界上許多國家的科學家們也在積極開發這種能源。比如，全世界 35 個國家共同參與的 ITER 項目，已經開始在法國建造實驗室和各種設備了。建成後，它将是全世界最大的核聚變裝置，預計在 2036 年開始進行全功率核聚變實驗，計劃能夠實現 5~10 分鍾 Q 值超過 10 的運轉。 [ 3 ]
2023 年 6 月 2 日，ITER 施工現場。圖片來源：iter.org
不過目前，ITER 項目也正在面臨工程技術的巨大挑戰（點擊查看：《1565 億元！史上最燒錢攻關項目，它到底是要做啥？》）。
可見，可控核聚變作爲人類追求的 " 終極能源 "，還有相當長的一段路要走，即便是各國科學家聚在一起共同努力，也面臨着許多無法預見的困難。人類否能在本世紀 " 馴服 " 這種能源，我們拭目以待。
參考資料
[ 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
策劃制作
作者丨科學邊角料 科普創作團隊
責編丨崔瀛昊
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