安全的线上配资

中国的“人造小太阳”首次跨越“亿度千秒”大关。距离核聚变发电还有多远？

2022年12月，人类实现历史上首次“核聚变点火”，即受控核聚变反应中产生的能量超过了为使反应发生而输入的能量。此壮举由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室完成，将我们对核聚变的认知和期待推上另一层次，让我们可以畅想聚变能作为一种无尽清洁能源的未来。

但在把核聚变技术真正规模化，真正发展成一种安全、实惠、几乎取之不尽的清洁能源前，必须解决一系列工程难题。

当两个氢原子，比如一个氘和一个氚，在极端条件下结合为一个氦-4时，聚变反应也就发生了。这种融合所需的极端高温大概在1亿摄氏度——太阳核心的温度只有1500万摄氏度。由此，聚变能源基础设施必须具备承受极端的能力。

在实验室实现核聚变有两种方法：使用强激光的惯性约束核聚变，以及使用超强磁铁的磁约束核聚变。历史首次点火实验采用了惯性约束聚变；磁约束聚变则尚未证明其在能源生产方面可以真正做到“输出不小于投入”。

美国有几项私人资助的实验计划于2030年到来前实现磁约束聚变的能量收支平衡；位于法国的国际热核聚变实验反应堆(ITER)也希望在同一时间达成目标。

挑战重重

无论是惯性约束还是磁约束，聚变技术的商业化之路都面对重重挑战，而且各种问题会非常难以解决。

例如，研究人员要开发能承受极端温度和辐射的新材料。又例如，聚变反应堆材料也会因受到高能粒子轰击而变得具有放射性，鉴于此，我们需要材料被设计得能在几年时间内衰变至放射性水平足够低——低到可供人类安全、轻松地处理。

另一项重大挑战在于如何生产足够多的燃料并可持续地进行生产。氘储量丰富，可从普通水中提取；而氚一般通过用中子轰击锂来获取，增加它的产量会困难得多。单个核聚变反应堆每天需要数百克甚至一公斤的氚才能运行。

目前，传统核反应堆会产生氚——这是裂变的副产物，但不足以维持一批聚变反应堆的运转。

因此，工程师需要建立起在聚变装置内部生产氚的能力。

一种可能用到的策略是在聚变反应堆周围放置含锂材料，核聚变时从反应堆逸出的中子会轰击锂核进而释放出氚。

另一方面，为扩大惯性约束聚变规模，研究者需要开发能够每秒多次击中聚变燃料靶（由冷冻氘和氚组成）的激光设备。目前还没有足够功率的激光器能以这般速率工作。此外，由于需要以极为精确的方式将激光引导至目标，对控制系统和算法的要求也会很高。

扩大燃料靶丸的生产规模也至关重要。我们希望看到几个数量级的提升：从现在每年数以百计的手工制作量和每个靶丸价值数十万美元，发展到数以百万计的年产量和几美元一个的价格。

至于磁约束聚变，有两大关键挑战：一方面，创建更有效的方法用以加热和控制等离子体；另一方面，制备更加耐热和抗辐射的反应堆壁材料，用于加热和约束等离子体直至聚变发生的技术必须能可靠运行多年。

上述种种挑战都难度极高，但也并非不可解决。

东方的托卡马克

2025年1月20日，由中国科学院等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变反应堆“东方超环”(EAST)再创新纪录。这个俗称“人造小太阳”的全超导托卡马克装置在上亿摄氏度高温下维持了长达1066秒的稳态长脉冲高约束模等离子体运行。

磁约束聚变是指基于高温等离子体的带电粒子在磁场中做回旋运动的特点，用强磁场约束等离子体于真空室内，使其可控地发生大量原子核聚变反应，释放能量。如前文所述，磁约束聚变反应堆未曾实现点火，其面对的主要挑战则包括对等离子体的加热和控制难题。东方超环的“亿度千秒”壮举显然证明了这道难题的可解性，虽然短期内还带不来无限清洁能源，但这是朝未来核聚变发电厂发电迈出的一大步。

以东方超环为代表的托卡马克是最常见的磁约束核聚变装置。它加热等离子体，将其约束于一个环形反应堆室，即托卡马克之内，并产生超强磁场。中国科学院团队对反应堆做过多项升级，包括将加热系统的功率提高一倍。

负责东方超环项目的中国科学院等离子体物理研究所所长宋云涛指出：“聚变装置至少要达到数千秒量级的高效率稳定运行，才能实现等离子体的自循环，未来的聚变电站源源不断发电才有可能。”

东方超环收集的数据将支持中国以及国际上其他反应堆的开发升级。值得一提的是，中国也是ITER计划的重要成员，另外6个成员方包括欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国。

宋云涛表示：“我们希望通过EAST扩大国际合作，使核聚变能源真正造福人类。”

资料来源：

Nuclear fusion could one day be a viable clean energy source – but big engineering challenges stand in the way

China's 'artificial sun' shatters nuclear fusion record by generating steady loop of plasma for 1安全的线上配资,000 seconds

• 安全的线上配资