可控核聚变

人类文明的本质就是烧开水和扔石头。而无论是烧开水，还是扔石头，都要解决一个最根本的问题：能源从哪里来。热能、风能、水能、太阳能、氢能等等，随便一个都是各大国的战场。那么，目前最热门的能量来源是什么？可控核聚变。

1.什么是可控核聚变

大家知道，物质由分子构成，分子由原子构成，原子中的原子核又由质子和中子构成，原子核外包覆与质子数量相等的电子。质子带正电，中子不带电。电子受原子核中的正电的 吸引，在"轨道"上围绕原子核旋转。不同元素的电子、质子数量也不同。

核聚变是指由质量轻的原子，在超高温超高压条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核，并释放出巨大的能量。核聚变又称为热核聚变。

例如：氢在自然界存在3种同位素，也就是氕、氘 （重氢）、氚（超重氢）。

氢的同位素氘和氚的原子聚合生成氦原子。核聚变所释放的能量是核裂变的百倍。1千克氘全部聚变释放的能量相当11000吨煤炭。

大家知道，质量轻的原子核之间的静电斥力最小，也最容易发生聚变反应，所以人类要实现核聚变的物质一般是首先选择氢的同位素氘和氚。氢在自然界中存在的同位素有氕、氘 、氚。在氢的同位素中，氘和氚之间的聚变最容易，氘和氘之间的聚变就困难些，氕和氕之间的聚变就更困难了。因此人们在考虑聚变时，先考虑氘-氚之间 的聚变，后考虑氘-氘之间的聚变。要可控制地利用核聚变作为清洁能源，科学家认为，有三类核聚变人类是可以控制利用的。

“第一代”核聚变是氢的核聚变（氘氚聚变和氘氘聚变）。这类核聚变的实现起点较低，释放出来的少量中子可以被控制和利用，是一种最便宜的清洁能源。现在全世界的科学家都在设法实现的，就是这种可控的氢核聚变。

“第二代”核聚变是氘和氦3的反应。这个反应本身不产生中子，但是可能出现的氘氘反应会产生中子，只是中子的总量非常非常少。这类核聚变更清洁了，但实现起点也高了。

“第三代”核聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子，是最清洁最安全的。当然，这种核聚变要实现可控就更困难了。

2.氢核聚变的原料

氢核聚变要用的材料是氘和氚。

氘在海水中的含量还是比较高的，只需要通过精馏法取得重水，然后再电解重水就能得到氘。

氚不同于氘，它是地球上最稀有的元素，由于氚的半衰期只有12到26年，所以在地球诞生之初的氚早已衰变得无影无踪了。现在人类所用的氚都是人工制造而非天然提取的。人们利用锂来获得氚。锂元素在地球上的资源非常丰富。锂的2种同位素，锂-6和锂-7，在被中子轰击之后，就会裂变，其产物都是氚和氦。所以，人们只要将锂的靶件植入重水反应堆中，就可以方便地获得氚。

在氢核聚变反应堆内，氚和氘反应后，除了形成一个氦原子核之外，还有一个多余的中子，并且能量很高。人们只需要在核聚变的反应体之内保持一定比例的锂原子浓度，那么中子就会轰击锂核，促使锂核裂变，产生一个新的氚。这个氚则继续参与氚-氘反应，继而产生新的中子。于是，链式反应就形成了。所以，理论上讲，人们只需要向反应堆内提供两种原料，即氘和锂，就能实现氘-氚聚变反应，并且能维持这种聚变反应。

3.磁约束核聚变

要在地球上实现氘-氚聚合反应，就得用太阳的温度点火起步。太阳中心温度达到1500万摄氏度，在太阳内部还存在巨大的压力，这种高温高压才能使氢核聚变不间断地进行。在20世纪50年代，当时的苏联科学家阿齐莫维齐等人首先提出磁约束核聚变的方法并发明了托卡马克装置。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，不仅能把氢的等离子体约束住，而且能把它加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。

中国的西南物理研究院于1984年建成中国环流器一号(HL-1），这也是用来研究等离子体的装置。后来，解体的苏联于1990年赠送给我国一套纵向超导托卡马克实验装置T-7，在此基础上，中国于1995年建成超导装置HT-7，这已是一个中型的聚变研究装置。

1985年倡议国际热核聚变反应堆（ITER）计划。它的建设目的，一是研究和测试可控的持续的核聚变反应可行性。计划在2019年实现磁约束等离子体，2026—2027年实现氘-氚聚变反应，在ITER装置上的研究工作至少要持续到2039年。二是，最终将ITER装置转变为一座可以运行的核聚变发电站。

4.激光约束核聚变

惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入强大的激光束或粒子束，球面外层因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用力，球面内层向内挤压，反作用力是一种惯性力，靠它把氘和氚的混合气体约束在一个很小的范围内，所以称为惯性约束。强大的激光束产生强烈的冲击波，冲击波将以每小时100万英里的速度压碎靶丸，同时产生一亿摄氏度左右的高温。在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，小球内气体受挤压的压力不断升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要近亿度）时，小球内氘和氚便发生聚合反应，并产生大量热能。

利用激光诱发核聚变，最大的闪光点在于，在激光束聚焦的点位上，瞬时达到高温高压，实现聚变点火的目的。但是，长期的试验证明，该方法还存在一些关键性的困难。

2022年12月13日，美国宣布在人类历史上首次实现了核聚变点火，美国进行了一次用大量的激光脉冲轰击氢原子的实验，产生的能量完全大于消耗的能量，这是一次核聚变实验，原理与太阳产生能量的过程比较接近，因此被称为“人造太阳”。又因为通过人为控制了实验过程，因此被归入“可控核聚变”。

无论是中国还是美国，在可控核聚变领域，都还处在萌芽阶段，美国验证了可控惯性核聚变在实际上“可行”。但可控核聚变是人类能源的终极梦想，随着人类科技力量的不断强大，目睹人类文明进入伟大变革的时代终会到来！