核聚变会给人类带来无限的能源吗？
2020-01-06 22:07:17   来源：东方头条   

核聚变能提供清洁，安全和取之不尽的能量，但是复制太阳运转的这一过程需要世界上最极端的设备。 物理学家现在正在努力试验，希望未来能让人类实现无限能源。

通俗来讲，核聚变就像在尝试使用浸泡过的湿木头点燃火一样。带正电的氢核互相排斥，它们尽最大努力避免接触。 成功实现核聚变需要世界上最极端的设备，无论是在极高的温度，还是在极高的压力下，都必须将氢原子融合在一起。 但是，如果成功的话，核聚变所激发的能量可以为我们提供廉价且清洁的电力。

建立实用的可控核聚变的研究已经进行了数十年。 有时，一种解决方案似乎非常诱人，但是随后由于实验错误或新障碍，科学家们开始怀疑之前的努力。好在他们还并没有放弃，物理学家目前正在朝着无限能源的方向上努力前进。

2020年年底，欧洲JET反应堆将开始试验，这是迄今为止人类最大的核聚变试验反应堆，其中将充满重和超重氢。 JET目前是唯一可以处理实际电厂燃料的裂变试验反应堆； 其他电厂仅使用重氢，产生的聚变太少而无法在实际中使用。

正在法国建设的ITER反应堆

JET实验是下一代聚变反应堆ITER，ITER反应堆的规模将扩大八倍，并且已经在法国建造中，计划于2025年开始实验，目标是世界首个自行推进的聚变过程，以产生大量能量。

ITER结构图

核聚变能源的潜力是巨大的：其原材料是从海水中提取的重氢，以及由锂制成的超重氢。海水将永远存在，而已知的地球锂储量还将持续使用一千多年，这使得核聚变能源几乎成为取之不尽、用之不竭的能源。

激光与反应堆竞争

激光聚变

大多数核聚变发电装置遵循两种聚变方法。 一种是激光聚变，其中美国是这种技术领先的国家。 高能激光束从四面八方轰击氢气，将氢气压缩得如此强烈，以至融合成氦气。

激光聚变原理图

2014年，192个强大的激光照亮了NIF聚变反应工厂。激光光束瞄准一个黄金容器，其中放置了一粒重氢和超重氢。当激光轰击球团时，氢原子被迫紧密地结合在一起，最终融合成氦。该实验已经将剩余的能量提高到所提供能量的5倍，但总体上仍然存在能量不足，因为该设施首先需要几乎100倍的能量才能激发激光。

另外一种方法是反应堆聚变。聚变反应堆将氢加热到一个等离子体，在该等离子体中，原子核和电子被分离，同时被捕获在强大的磁场中，以防止它们接触反应堆壁，并被冷却。

目前来看，反应堆聚变是最佳选择。第一种是经典反应堆称为托卡马克，例如JET和ITER。 这种反应堆类型更易于制造，但缺点是一次只能将其聚变燃料限制在磁笼中一小时。 然后必须排空反应堆，并抽入新燃料并点燃。 在实际操作中，这一过程必须足够快地进行，以防止供应中断情况的发生。

另一种反应堆类型是“仿星器”，因模拟恒星内部持续不断的核聚变反应而得名，它是以磁场约束核聚变等离子体，稳定运行提供动力的装置。其中磁铁具有扭曲的形状以产生更稳定的磁笼，从理论上讲，该笼可以保持多年，可以连续向反应堆添加新燃料。

Wendelstein 7-X

然而，扭曲的磁体使构造“仿星器”变得极为复杂。 2003年，德国人建造了世界上最早的大型“仿星器”“Wendelstein 7-X”，一度濒于放弃，但是他们最终还是坚持了下来，反应堆现在运行平稳，经过仅仅几年的实验，就设法一次持续燃烧了100秒钟的燃料。现有的6.5分钟世界纪录是2003年由法国小型托卡马克（WEST）创下的，至今仍未被打破，但德国物理学家估计，他们将设法一次将Wendelstein 7-X捕获的燃料保持半小时。

将热等离子体束缚更长时间

现代主要的聚变实验反应堆都无法实现“收支平衡”，即反应堆当时发电量小于加热燃料所消耗的电量。 但是，科学家们在实验过程中发现了需要解决的问题，为真正的核聚变聚发电铺平了道路。 在JET，科学家获得宝贵经验，这些实验将使用由重氢和超重氢组成的“真实”燃料。

迄今为止，物理学家一直不愿意在反应堆中使用超重氢，因为它具有放射性，因此需要昂贵的安全措施。

JT60-SA托卡马克反应堆

然而，最大的挑战在于将融合等离子体捕获更长的时间。 为了防止热的湍流燃料逸出并接触反应堆壁，必须将反应堆环封闭在既稳定又非常有力的磁场中。 较旧的JET反应堆仅使用普通磁体，可以使燃料滞留几秒钟。 但是，明年，日本JT60-SA托卡马克反应堆中将测试一种效率更高的磁笼。该反应堆已经升级了超导磁体，可以一次将燃料限制在100秒以内。

为了迈向未来清洁和取之不尽用之不竭的能源之路，科学家现在正在建造迄今为止规模最大，最复杂的TER反应堆。中国，欧盟，美国，俄罗斯，日本，印度和韩国正在相互合作，在法国南部建造这一反应堆。该结构高达15层楼，反应堆重23000吨，环直径为19.4米，周围是高达25米的巨大超导磁体。

TER的目标是实现关键技术，即，当加热设备停用时，聚合反应过程将继续进行。 在燃烧的等离子体中，来自聚变的超热氦核与更多的氢核相撞，将它们加热并产生连续的聚变。只要添加了新的燃料，并且只要磁笼可以保持捕获的燃料，就可以继续发电。 其目的是一次将反应维持一个小时。

真正的重氢，超重氢燃料的实验应该在2035年开始，该反应堆产生的能量是反应堆消耗的能量的10倍。未来的目标是将多余的能量增加到供应量的30倍。

ITER的继任者是托卡马克还是仿星器，这一点仍然未知。 Wendelstein 7-X产生的结果可能非常积极，以至于仿星器有望脱颖而出。

第一座海水取代煤的聚变发电厂预计在2060年左右向电网供电。无论哪个版本的发电厂最终取得成功，核聚变将是一个安全的能源，因为没有风险失控的连锁反应，就像今天的核电厂面临的风险。如果燃料供应停止，核聚变反应堆就会停下来，就像一辆汽车耗尽了汽油。核聚变还不会留下任何必须储存100000年的高放射性燃料废物，因为唯一的残留产物是氦。来自40升海水的重氢和来自5克锂的重氢仅相当于一部手机的内容物，但却可以供应多达40吨煤的能量，既不会污染空气，也不会排放二氧化碳。因此，核聚变可以在未来气候中性能源供应中发挥重要作用。