【能源史話07】核聚變

作者：科學邊角料

# 庫茲卡的媽媽

1960年聯合國代表大會上，赫魯曉夫向美國承諾，要讓美國人看看“庫茲卡的媽媽”，1961年10月30日，美國人看見了。

這一天，美國地震調查局發現，在芬蘭島附近，發生了一場里氏5級左右的地震。但很快，美國的一架偵察機發現，這不是什么地震，正是“庫茲卡的媽媽”。

“庫茲卡的媽媽”是蘇聯的俗語，就像中文的“給你點顏色看看”。這次，蘇聯人想讓美國人見識的，是炸彈AN602，所以這枚炸彈在蘇聯就被戲稱為“庫茲卡的媽媽”，而在西方它被稱作“沙皇炸彈”。

蘇聯原計劃的“庫茲卡的媽媽”是一枚1億噸TNT當量的超級核彈。

但當時1億噸級核彈的設計方案里，鈾元素用量很大，可能會引發比較大的放射性污染。另外，這個量級的炸彈在投彈后，飛行員不可能有足夠的時間逃離爆炸現場，基本是有去無回。所以蘇聯方面修改了炸彈設計，把爆炸當量削減了一半。

美國人見識到的，正是削弱版的“庫茲卡媽媽”。但即便是削弱版，它也是人類歷史上威力最大的炸彈，它的爆炸當量是5000萬噸，是“小男孩”原子彈的3800倍，是二戰里所有常規炸彈的總能量的10倍。

“庫茲卡的媽媽”爆炸的時候，產生了堪比珠穆朗瑪峰的大火球（直徑8公里），在1000公里外都能看見核爆的閃光。爆炸產生了一朵巨型蘑菇云，高度是珠穆朗瑪峰的8倍多（67公里高），蘑菇頭部分寬97公里，爆炸產生的沖擊波環繞地球3圈。

之所以有這樣的威力，是因為它利用了另一種原子核內的能量，核聚變。

# 核聚變

在前面的內容里，我們提到過核裂變的概念，是一個重原子核分裂成兩個輕原子核。而核聚變是倒過來，兩個比較輕原子的原子核融合成一個重原子核。這個過程也會釋放出巨大的能量。

同樣重量的核聚變燃料（一般是氫的同位素氘、氚）能夠產生核裂變4倍的能量，比燒石油或煤炭高400萬倍[1]。

但核聚變并不容易發生。

在說原子結構的時候我們提到過，原子核都是帶正電的，兩個原子核想要碰撞融合，必須克服斥力，讓它們的原子核靠得足夠近。

這就需要提供超高溫、超高壓，把大量原子核壓在一塊，增加它們融合的機會。

這種條件在宇宙里并不難找，比如太陽和其他恒星內部，巨大的壓力和高溫能夠維持核聚變反應。但在地球上，想創造這樣的條件并不容易。

# 用原子彈引發核聚變

在原子彈爆炸的時候，原子彈中心能夠產生上千萬度的高溫，以及數十億個大氣壓的壓力。

所以，人們自然會想到，在原子彈的核心旁邊放上核聚變材料，利用原子彈爆炸時候的能量，也許能引發核聚變。

1951年5月，一枚叫“喬治”的實驗彈被推上了試驗臺，在原子彈核心，除了用來引發核裂變的材料之外，還有液態氘。科學家們希望通過它驗證原子彈能不能引發核聚變。結果，它發出了遠超過原子彈的爆炸威力，由此人們確認了，用原子彈引發核聚變是可行的。

因為早期使用的核聚變材料主要是氘和氚之類的氫同位素（后來更多地使用氘化鋰），因此，核聚變武器又被稱為氫彈。

雖然氫彈是利用了核聚變，但它是不受控制的核聚變，能夠作為武器，但不能作為能源來使用。

想要把它用作能源，同樣需要馴服這股強大的能量。

# 可控核聚變

核聚變只有在非常極端的條件下才能發生，因此想要馴服這股能量極其困難。主要表現在以下幾個方面：

首先，利用核聚變發電的條件太苛刻了。根據費米的計算，想利用核聚變發電，等離子體的溫度要被加熱到大約5000萬攝氏度以上[2]。可在地球的自然環境里，不存在這樣的高溫環境。

當然了，科學家們能夠利用技術手段創造出這樣的高溫環境，比如通過電場、粒子束、無線電波振蕩（類似微波爐的原理）、磁振蕩加熱等等。

但創造這樣的環境，一方面需要消耗大量的能量。另一方面，會帶來一個問題，沒有任何物質能夠盛放被加熱后的等離子體。

目前已知的熔點最高的物質是碳化鉭鉿（Ta4HfC5），它的熔點是4215攝氏度。這個熔點和被加熱后的等離子體相比，實在是差太多了。

# 托克馬克裝置

為了解決這個問題，目前最成熟的方法是用托克馬克裝置來約束等離子體，這也是目前最有希望成為核聚變反應堆的技術。

下圖顯示的就是托克馬克裝置的示意圖。

托克馬克裝置原理。圖片來源：Wikipedia

托克馬克裝置是通過磁場約束，把等離子體束縛在裝置內部，成為一個不斷流動的圓環。當然了，目前的技術還不足以讓核聚變反應自維持，還需要有輔熱系統不斷加熱等離子流（一般用中性粒子束加熱）。

目前，我們國家在托克馬克裝置的開發上，處于相當領先的地位。

中國科學院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，在2021年5月，實現了在1.2億度下運行101秒和1.6億度下運行20秒的記錄。

在2021年12月30日，又在接近7000萬攝氏度下運行了1056秒，創造了高溫等離子體運行的最長時間紀錄。

盡管取得了這樣突破性的成就，但距離我們使用核聚變發電，還有相當長的路要走。

# Q值

在核聚變發電領域，有一個非常重要的指標——Q值。

一個核聚變反應堆釋放的能量和消耗的外部能量比值被稱為Q值。Q值等于1的時候，意味著核聚變反應產生的能量等于它消耗的外部能量。

但這時候，并不意味著它能夠自我維持發電了，一般認為，當Q值大于5的時候，核聚變反應堆能夠自我維持（這個點又被稱為點火點）。[3]

但在考慮到熱能、動能、電能間的轉化，國際上公認Q值要達到10以上核電站才能有收益。而如果想成為商業化的核聚變發電站，Q值還需要達到30以上[吳軍，全球科技通史，中信出版集團，2019]。

那到目前為止，人類已經實現的Q值最高記錄為0.67，而推算的理論最高值記錄是1.25（日本的JT-60，以氘-氘做實驗，如果換算成氘-氚，理論值是1.25）。這個值距離核聚變反應堆的自我維持，以及用它來發電還差得很遠。

但核聚變發電的誘惑實在是太大了，它和傳統能源的差別，就像恒星和行星的差別一樣，只要掌握了這種恒星級別的能源，人類的文明將向前邁進一大步。

因此，世界上許多國家的科學家們也在積極開發這種能源。比如，全世界35個國家共同參與的ITER項目，已經開始在法國建造實驗室和各種設備了。

建成后，它將是全世界最大的核聚變裝置，預計在2036年開始進行全功率核聚變實驗，計劃能夠實現5-10分鐘Q值超過10的運轉[3]。

人類否能在本世紀馴服這種能源，我們拭目以待。

參考文獻：

[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion

[2] McCracken, Garry; Stott, Peter (2012). Fusion: The Energy of the Universe. Academic Press. ISBN 978-0-12-384657-0.

[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf

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來源: 星空計劃

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