自人類進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代，對(duì)能源的需求就越來(lái)越大，特別是近年發(fā)生俄烏沖突之后，能源危機(jī)已經(jīng)日趨明顯，而我們也知道，地球上的能源并不是無(wú)窮無(wú)盡。目前世界上煤炭的儲(chǔ)量已經(jīng)消耗大半，僅剩的儲(chǔ)量只夠我們使用300年到400年，石油能源已經(jīng)日近枯竭。

據(jù)推測(cè)最多還能開(kāi)采50年，而現(xiàn)在流行的核電中必須的濃縮鈾儲(chǔ)量也只能使用100年，所以世界各國(guó)開(kāi)始著眼于可持續(xù)再生的能源開(kāi)發(fā)，風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能應(yīng)運(yùn)而生，但從供需關(guān)系來(lái)看，目前已成功開(kāi)發(fā)的這些可再生能源還是不能滿足人類的需求，因此核聚變能量的研發(fā)越來(lái)越受到各國(guó)的青睞。

什么是核聚變能量

隨著地球上能源危機(jī)的日益加劇，很長(zhǎng)時(shí)間以前，人們就開(kāi)始關(guān)注，為什么太陽(yáng)能夠持續(xù)不斷地放出那么巨大的能量，它究竟燒的是什么燃料呢？

經(jīng)過(guò)科學(xué)家長(zhǎng)期不懈的研究和探索，人們終于知道太陽(yáng)中的巨大能量來(lái)源于核聚變，其實(shí)不只是太陽(yáng)，宇宙中的恒星的主要能源基本都是來(lái)自于核聚變。

那么核聚變究竟是如何發(fā)生的呢？核聚變的燃料主要是氫、氘和氚。他們是同位素，其原子結(jié)構(gòu)相同，都是一個(gè)電子圍繞著一個(gè)原子核轉(zhuǎn)，只是原子核的組成不同。

氫的原子核中只有一個(gè)質(zhì)子，而氘和氚的原子核與氫的原子核相比，卻分別多了1個(gè)和2個(gè)中子，他們可以作為核聚變反應(yīng)的原材料，在足夠高的溫度下（上億度），將原子量較輕的原子核聚合成較重的原子核，這個(gè)過(guò)程可以釋放大量的能量，整個(gè)過(guò)程被稱之為核聚變反應(yīng)。

欲實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，首先遇到的難題是如何達(dá)到點(diǎn)火溫度的問(wèn)題。核燃料要被點(diǎn)燃，其燃點(diǎn)高達(dá)上億度，而我們平時(shí)使用的天然氣、木柴、煤炭等燃料的點(diǎn)火溫度只有幾百度，顯然日常常見(jiàn)的材料是不能達(dá)到其點(diǎn)火溫度的。怎樣才能達(dá)到上億度的高溫？激光技術(shù)開(kāi)闊了人們的眼界，很快被設(shè)想為核燃料的“點(diǎn)火器”。

目前的激光技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到這樣的程度：一束強(qiáng)激光比太陽(yáng)光還要亮一億億倍以上。假設(shè)把核聚變所需的原料氘和氚壓縮成一個(gè)直徑只有0.01厘米的球體，在如此之大的壓力下，用溫度超高的激光去照射小球，這種狀態(tài)下小球可以被加熱到上億度，如此之高的溫度使達(dá)到核聚變的點(diǎn)火溫度成為了可能。

所以從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，世界各國(guó)就開(kāi)始投入大量的人力、物力著手核聚變反應(yīng)的控制，從而解決人類的能源危機(jī)。

核聚變能量的優(yōu)點(diǎn)

如前文所說(shuō)，利用核聚變來(lái)發(fā)電，有很多不言而喻的優(yōu)勢(shì)，首先就是核聚變發(fā)電清潔安全，整個(gè)核聚變反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有使用放射性物質(zhì)也不會(huì)產(chǎn)生像傳統(tǒng)能源石油煤炭燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體，既不會(huì)污染環(huán)境也不會(huì)對(duì)人體造成傷害，因此核聚變能量是清潔安全的。

其次核聚變反應(yīng)的原材料氘和氚豐富，地球上70%的表面被海洋覆蓋，原材料的儲(chǔ)量是足夠使用的；第三，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量巨大，使用少量的海水就能產(chǎn)生供人類生活一周左右的能量。

鑒于核聚變發(fā)電的優(yōu)勢(shì)如此顯著，因此各國(guó)紛紛投入人力物力對(duì)其進(jìn)行研究，畢竟在能源危機(jī)的當(dāng)今社會(huì)，誰(shuí)掌握了能源誰(shuí)就掌握了發(fā)言權(quán)。

托卡馬克裝置

自20世紀(jì)50年代初開(kāi)始研究受控?zé)岷司圩?，科學(xué)家經(jīng)過(guò)幾十年的艱苦努力和積極探索，發(fā)現(xiàn)了兩種約束高溫等離子體的途徑，第一種約束力量靠的是慣性，比如氫彈，但它的能量瞬間迸發(fā)，還不能人為控制其釋放的速度。

第二種約束力量是磁力，這種約束力量有望實(shí)現(xiàn)人工可控制緩慢釋放能量，是目前研究得最多的一種方案。托馬克裝置就是其代表性的研究裝置。

約束1億攝氏度高溫等離子體，至今還沒(méi)有適用的耐高溫并絕緣的特殊材料，但人們很早就知道，帶電粒子在磁場(chǎng)中只能繞著磁力線做螺旋形運(yùn)動(dòng)核聚變的高溫等離子體是帶正電荷的急或氯與帶負(fù)電荷的電子組成的氣體，因此它們都只能繞著磁力線并沿磁力線方向做螺旋形運(yùn)動(dòng)，所以可采用特殊形狀的磁力線來(lái)約束高溫等離子體，并使之與器壁相脫離。人們把這種裝置稱之為托卡馬克（Tokamak） 裝置。

根據(jù)這一原理，1954年，蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所的阿奇莫維奇研制成功了第一臺(tái)托卡馬克裝置，首次實(shí)現(xiàn)了人工受控的能量輸出。這一成果一經(jīng)宣布，引發(fā)國(guó)際社會(huì)的強(qiáng)烈關(guān)注，各國(guó)紛紛效仿，都將研發(fā)精力集中到了研究托卡馬克上面，因此各國(guó)陸續(xù)建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。

目前世界上運(yùn)行的托卡馬克裝置至少有幾十個(gè)。但等離子體電流超過(guò)100萬(wàn)安培的大型托卡馬克只有T-15（前蘇聯(lián)），TFTR和DⅢ-D（美國(guó)），JET（歐共體聯(lián)合建造，建在英國(guó)），JT-60（日本)，TORE SUPRA（法國(guó)）。

近年來(lái)為提高等離子體溫度和約束時(shí)間，采取了許多技術(shù)措施，最引人注目的就是1991年11月JET（歐洲聯(lián)合環(huán)）取得突破性的進(jìn)展，他將核聚變反應(yīng)的原材料氘和氚按一定比例混合，點(diǎn)火溫度達(dá)到了3億℃，維持反應(yīng)60秒，能量約束時(shí)間達(dá)到了2秒，產(chǎn)生了108個(gè)聚變反應(yīng)中子，聚變反應(yīng)輸出功率約1.8兆瓦。

這一進(jìn)展十分令人鼓舞，它表明在磁約束裝置中第一次實(shí)現(xiàn)了DT聚變反應(yīng)。如果JET在氘氚比為1：1條件下運(yùn)行，可望達(dá)到“點(diǎn)火”指標(biāo)。

中國(guó)核聚變研究進(jìn)展

2006年9月28日，中國(guó)耗時(shí)6年、耗資3億元人民幣自主設(shè)計(jì)制造的新一代托卡馬克磁約束核聚變裝置“EAST”首次成功完成放電實(shí)驗(yàn)，獲得時(shí)間接近3秒、電流200千安的高溫等離子體放電。

這一成果一經(jīng)公布，引發(fā)世界注目，它標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了核聚變研發(fā)的前列，這一偉大的成果離不開(kāi)千千萬(wàn)萬(wàn)中國(guó)科研人員的努力和拼搏，如果后續(xù)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，那對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，更是意義巨大，相當(dāng)于掌握了無(wú)窮無(wú)盡的能源資源，看看現(xiàn)在的美國(guó)，僅僅是將美元與石油掛鉤，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球霸主的地位，如果中國(guó)實(shí)現(xiàn)了核聚變發(fā)電，那未來(lái)是不可估量的。

而現(xiàn)在，EAST的建成，使我們國(guó)家順利進(jìn)入“核聚變俱樂(lè)部”這個(gè)世界性的“核聚變俱樂(lè)部”，是一個(gè)國(guó)際性核聚變組織，英文簡(jiǎn)稱為“ITER”，即“國(guó)際、熱核、實(shí)驗(yàn)、堆”這4個(gè)詞語(yǔ)的英文首字母。

這個(gè)國(guó)際性組織誕生于1985年，由蘇聯(lián)和美國(guó)牽頭，歐洲日本加入的四國(guó)組織，也就是后來(lái)核聚變領(lǐng)域廣為人知的ITER。這個(gè)為了避免冷戰(zhàn)升級(jí)，同時(shí)為了減少各國(guó)研究費(fèi)用而建立的組織，一直沿襲至今，是一個(gè)開(kāi)放性的國(guó)際組織，但也不是什么國(guó)家都可以加入，一定要在核聚變研究上走在世界前列的國(guó)家才能加入。

EAST的終極目標(biāo)是好的，建造一個(gè)可自動(dòng)持續(xù)燃燒的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆，顯然，從“裝置”到“堆”，是跨越性的一步。

世界先進(jìn)國(guó)家之所以共同研究，是因?yàn)楹司圩冄芯亢馁Y巨大，單是一個(gè)國(guó)家的力量恐怕很難實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該說(shuō)，這個(gè)組織對(duì)于核聚變研究發(fā)展，確實(shí)起到了一定的推動(dòng)作用，因?yàn)樗歉鲹?dān)風(fēng)險(xiǎn)，而且資源以及試驗(yàn)結(jié)果，參與國(guó)家都有權(quán)利一起分享，這對(duì)于參與國(guó)來(lái)說(shuō)，是公平的、是有益的。

中國(guó)的核聚變研究者經(jīng)常講到“領(lǐng)跑”，而加入ITER組織，就是“領(lǐng)跑”的重要標(biāo)志之一。這是最可供參考的標(biāo)志之一?，F(xiàn)在ITER組織由7方組成，歐盟、日本、韓國(guó)、印度、俄羅斯、美國(guó)和英國(guó)。

科學(xué)家們預(yù)言，人類將在21世紀(jì)30年代完成受控核聚變的研究工作，建成核聚變發(fā)電站，并將其投入商業(yè)經(jīng)營(yíng)。

到了那一天，能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生革命性的根本變化，能源枯竭的危險(xiǎn)最終將被拋到九雪云外，這對(duì)人類社會(huì)及人類文明將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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