核聚變能應(yīng)用前景現(xiàn)一絲曙光

瞿立建

2022年12月14日，美國(guó)科學(xué)家宣布，核聚變研究取得重大突破，實(shí)現(xiàn)了能量增益，即輸出的能量大于輸入的能量。物理學(xué)家經(jīng)過幾十年的嘗試，終于實(shí)現(xiàn)了這一重要目標(biāo)。

能量增益了多少？美國(guó)的實(shí)驗(yàn)中，輸出的能量比輸入的能量多了相當(dāng)于1/3千瓦時(shí)電能。能量雖少，卻是核聚變發(fā)電的一大步。

為了了解這項(xiàng)成就的意義，我們要從頭說起。

什么是核聚變

我們周圍的各種物體都由原子或分子組成，而分子由原子組成。比如，鐵由鐵原子組成；氧氣由氧氣分子組成，一個(gè)氧氣分子由兩個(gè)氧原子組成；水由水分子組成，一個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成。

原子的中心是原子核，原子核的外面是電子，電子以不同的半徑繞著原子核轉(zhuǎn)，就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)。原子核由帶電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。質(zhì)子數(shù)相同的原子屬于同一元素，質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子互為同位素。

兩個(gè)原子可以結(jié)合在一起，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)新種類的原子，同時(shí)減少一點(diǎn)總質(zhì)量。減少的很小的質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)變成巨大的能量，這是物理學(xué)家愛因斯坦所預(yù)言的。

核聚變產(chǎn)生的巨大能量是非常可怕的，核武器氫彈就是利用的核聚變的威力。天上的恒星，包括太陽，利用核聚變，源源不斷地發(fā)出光和熱。

人類能不能和平利用核聚變

在科學(xué)上，沒有理由不行，可實(shí)際上卻是無比困難。核聚變能放出巨大能量，但是啟動(dòng)核聚變也需要巨大的能量，科學(xué)家把輸入能量啟動(dòng)核聚變稱為“點(diǎn)火”。

美國(guó)自1997年起開始建造國(guó)家“點(diǎn)火”裝置，2010年全面啟動(dòng)“點(diǎn)火”實(shí)驗(yàn)，向著輸出能量大于輸入能量，即能量增益這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)。

美國(guó)的“點(diǎn)火”是用激光實(shí)現(xiàn)的，將192束世界上最強(qiáng)大的激光準(zhǔn)確打向裝有燃料球的小金罐上，小金罐有同學(xué)們的鉛筆上的橡皮擦那么大，燃料球直徑大約為1毫米，由氫元素的兩種同位素組成。激光會(huì)壓縮小罐，猛然把燃料球壓縮得比金屬鉛還要致密，溫度急劇升高到300萬℃，約為太陽表面溫度的200倍，比太陽中心處的溫度還高。

這種狀況維持足夠長(zhǎng)時(shí)間，燃料中兩種氫同位素就會(huì)融合，發(fā)生聚變，釋放出能量。這里的“足夠長(zhǎng)時(shí)間”與我們的日常經(jīng)驗(yàn)相比，顯得極其短暫，約為十億分之一秒。

科學(xué)家取得了什么成就

美國(guó)國(guó)家“點(diǎn)火”裝置的科學(xué)家測(cè)量了燃料聚變釋放的能量與激光中的能量的比值，稱為增益因子。這個(gè)比值如果大于1，說明前者大于后者，這個(gè)技術(shù)未來才有可能有利可圖，否則就是賠本買賣。

2021年進(jìn)行的“點(diǎn)火”實(shí)驗(yàn)，增益因子為0.7。2022年12月的實(shí)驗(yàn)中，打到燃料球的激光的能量為200萬焦耳，約為電吹風(fēng)機(jī)工作15分鐘所耗的能量，核聚變反應(yīng)釋放的能量約為300萬焦耳，約為1千瓦時(shí)電的能量，增益因子為1.5，大于1。

從開始建造國(guó)家“點(diǎn)火”裝置到實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，美國(guó)用了25年的時(shí)間！

這是核聚變研究中歷史性的一刻，但是核聚變能要走入生產(chǎn)、生活，依然非常遙遠(yuǎn)。

核聚變研究還有諸多挑戰(zhàn)

核聚變不產(chǎn)生放射性核廢料，沒有碳排放，原料是價(jià)格低廉的水。核聚變能如果實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，將一勞永逸地解決能源問題。因此，核聚變能被稱為“能源圣杯”。

幾十年來，科學(xué)家一直在穩(wěn)步前進(jìn)，解決核聚變和平利用的一個(gè)個(gè)難題。不過，要徹底實(shí)現(xiàn)核聚變能的商業(yè)化難題，還有許多挑戰(zhàn)性工作要做。

對(duì)于激光“點(diǎn)火”的技術(shù)路線，還需要能量更大、能耗更低、光線更集中的激光器。

實(shí)現(xiàn)核聚變已經(jīng)很難了，讓核聚變持續(xù)進(jìn)行更有挑戰(zhàn)性，燃料球略有瑕疵，發(fā)生核聚變就需要耗費(fèi)更多能量。科學(xué)家在想方設(shè)法提高激光能量的利用率，目前激光能量的利用率僅為10％～30%。

目前，核聚變的燃料為氫的兩種同位素氘和氚。地球上的氘含量很豐富，海水里有的是，但氚含量很少。核聚變反應(yīng)本身也會(huì)產(chǎn)生氚，所以科學(xué)家在想辦法提高氚的利用率。

解決好這些挑戰(zhàn)，家家戶戶才能有望用上核聚變能發(fā)的電。

還需要多長(zhǎng)時(shí)間呢

不好估計(jì)。世界各國(guó)在核聚變研究方面正在展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，技術(shù)路線各有不同，美國(guó)取得的能量增益大于1的新突破給核聚變能研究帶來了信心和希望。

中國(guó)核聚變能研究處于世界第一梯隊(duì)，期待著小讀者長(zhǎng)大后貢獻(xiàn)聰明才智。