最近有一條新聞，引起了能源行業(yè)不大不小的震動(dòng)——中國(guó)“人造太陽(yáng)”再創(chuàng)世界紀(jì)錄。這一新聞的主要內(nèi)容是，“我國(guó)的超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置EAST(東方超環(huán))在全球首次實(shí)現(xiàn)了上百秒的穩(wěn)態(tài)高約束運(yùn)行模式”，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

而且新聞里提到：如果人類(lèi)掌握了可控的核聚變技術(shù)，目前的能源危機(jī)就可以化解!

這到底是一個(gè)怎樣的技術(shù)，竟然敢放大話解決人類(lèi)能源問(wèn)題呢?

氫彈引來(lái)的可控核聚變

核電對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)來(lái)說(shuō)并不陌生，自20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)，以其清潔、高效等因素得到世界主要經(jīng)濟(jì)體的青睞。但不得不承認(rèn)的是，核裂變發(fā)電因?yàn)楦鞣N原因，并不能成為人類(lèi)能源的究極形態(tài)，科技界早在氫彈試驗(yàn)時(shí)就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并開(kāi)始著手研究核聚變技術(shù)，以便為人類(lèi)提供永續(xù)能源。

在一般的條件下，核聚變是不會(huì)發(fā)生的。但在太陽(yáng)中心，1500萬(wàn)度的高溫和2000億個(gè)大氣壓的高壓下，氫就可以聚變成氦了。這樣的反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了46億年，向外發(fā)出了巨大的能量。自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——氘與氚的聚變，而在地球上不可能存在1500萬(wàn)度的高溫和2000億個(gè)大氣壓的高壓，因此要發(fā)生聚變，溫度就只能更高，達(dá)到上億度。

目前已知的核聚變反應(yīng)只有氫彈爆炸這一種形式，科學(xué)家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過(guò)程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出，這就是可控核聚變。

“核聚變一旦像裂變一樣實(shí)現(xiàn)商用發(fā)電，將是顛覆世界的革命性成功，人類(lèi)在能源利用上很可能再也不用精打細(xì)算了。”中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心副主任孫鍵說(shuō)，“對(duì)核聚變持積極態(tài)度的科學(xué)家認(rèn)為，核聚變這棵科技之樹(shù)的果子格外好吃，種植難度大也在情理之中。”

可控核聚變相比于目前的核電站來(lái)說(shuō)有三個(gè)顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)：原料易得，核聚變的原料是重水，可以直接從海水中提煉，并且地球中儲(chǔ)量極大;核聚變的過(guò)程及其產(chǎn)物均不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，亦不會(huì)造成核泄漏的危害；聚變的效率要高于裂變，效率比大概是，氘:鈾:原油=1:6:1千萬(wàn)。

但想要通過(guò)此反應(yīng)制造出真正能夠?yàn)槿祟?lèi)所用能源，人類(lèi)還必須面對(duì)兩大難題。

相對(duì)而言，核裂變需要的反應(yīng)條件很弱，天然的鈾礦在常溫的自然條件下就可以發(fā)生衰變。但是相比于核裂變過(guò)程來(lái)講，核聚變最麻煩的反應(yīng)條件就是——需要瞬間上億度的高溫才能引起核聚變反應(yīng)。而如此高的溫度是用傳統(tǒng)加熱方法所無(wú)法達(dá)到的。人類(lèi)研制氫彈時(shí)，對(duì)于該問(wèn)題給出了以下解決方案：用核彈引爆氫彈!即通過(guò)核彈引爆得到達(dá)到核聚變反應(yīng)的溫度，從而引起核聚變使得氫彈爆炸，因此氫彈內(nèi)部是有一個(gè)小型核彈的。問(wèn)題的關(guān)鍵來(lái)了，為了核聚變發(fā)電，人類(lèi)難道要一直用原子彈來(lái)做引子么?這個(gè)代價(jià)顯然太高。

因此，研究可控核聚變的難點(diǎn)在于，怎么將核聚變的原料加熱到這么高的溫度?將核聚變的原料加熱到這么高的溫度以后拿什么來(lái)裝它?

101.2秒創(chuàng)造了什么記錄?

上億度的物質(zhì)足夠燒毀任何與其相接觸的東西，那么就算能將這些反應(yīng)燃料點(diǎn)燃，又能拿什么來(lái)盛放它?“超導(dǎo)托卡馬克”裝置的研制就是為了實(shí)現(xiàn)能將上億度的物質(zhì)存放于其中的目的。具體的基本原理在高中物理課本就有提到，是通過(guò)將這些物質(zhì)約束在一個(gè)密閉的環(huán)中使其高速旋轉(zhuǎn)，來(lái)將其固定在一個(gè)密閉的空間中，從而實(shí)現(xiàn)了變相的盛放。

而中國(guó)研制的“盛放”該物質(zhì)的超導(dǎo)托卡馬克裝置就是EAST。

EAST全稱(chēng)Experimental Advangced Superconducting Tokamak，是由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立設(shè)計(jì)建造的世界首個(gè)全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，位于安徽合肥的等離子物理研究所，于2007年通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。EAST是一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆，主要目的在于研究等離子體穩(wěn)態(tài)約束的實(shí)驗(yàn)可行性，為未來(lái)能發(fā)電的示范堆建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，

高約束模是未來(lái)ITER(ITER計(jì)劃由美、法等國(guó)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)起，旨在建立世界上第一個(gè)受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，為人類(lèi)輸送巨大的清潔能量)的基本運(yùn)行模式，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并達(dá)到有效的偏濾器熱量排除，ITER將采用射頻波主導(dǎo)的低動(dòng)量注入運(yùn)行模式以及主動(dòng)水冷的鎢偏濾器結(jié)構(gòu)。EAST是目前世界上唯一具備這兩大特色的且具有長(zhǎng)脈沖運(yùn)行能力的全超導(dǎo)托卡馬克。

要穩(wěn)定地利用核聚變必須首先滿足兩個(gè)條件。一是把氚或氘的等離子體瞬間加熱到1億攝氏度，二是至少持續(xù)1000秒以達(dá)到持續(xù)反應(yīng)。此次，EAST在世界上首次實(shí)現(xiàn)了5000萬(wàn)度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從60秒到百秒量級(jí)的跨越，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式將為ITER和未來(lái)反應(yīng)堆提供重要參考。

EAST(先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置)大科學(xué)工程管理委員會(huì)副主任羅廣南教授說(shuō)，先前的一些聚變實(shí)驗(yàn)持續(xù)了100多秒，但它們就像“騎一匹烈馬”，難以控制不穩(wěn)定的等離子體。不過(guò)，EAST上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)更像是一次盛裝舞步表演，處在被極強(qiáng)電磁場(chǎng)屏蔽的一個(gè)環(huán)形室中的等離子體被控制在一種高效穩(wěn)定態(tài)H-mode(高約束模式)。“這是一次具有里程碑意義的事件，它增強(qiáng)了人類(lèi)利用核聚變能的信心。”

但與此同時(shí)，有人認(rèn)為，上百秒的持續(xù)放電，意義可能并沒(méi)有那么大。聚變能否實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)是Lauson criterion。即密度、溫度、約束時(shí)間三者的乘積要大于一個(gè)固定的數(shù)值，其他兩項(xiàng)無(wú)法達(dá)到一定的數(shù)值，單獨(dú)談約束時(shí)間沒(méi)有太大的意義。

“一步之遙”的能源共產(chǎn)主義

可控核聚變什么時(shí)候能實(shí)現(xiàn)?有個(gè)笑話是“永遠(yuǎn)還需25年”。有人估計(jì)是2050年，但這也僅僅只是猜測(cè)，因此可控核聚變的實(shí)現(xiàn)被戲稱(chēng)為“一步之遙”。目前，人類(lèi)所能做的就是多試驗(yàn)、多投入，多積累經(jīng)驗(yàn)，為今后的成功積累量變。

相比于以往，EAST101.2秒持續(xù)放電確實(shí)創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄;但對(duì)于可控核聚變的終極目標(biāo)來(lái)說(shuō)，這一紀(jì)錄只能說(shuō)是微不足道。為什么如此說(shuō)呢?101.2秒的持續(xù)放電時(shí)間仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到使這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化所需的持續(xù)時(shí)間——以幾十年而非幾分鐘計(jì)。

而約束時(shí)間只是可控核聚變實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)，其他的難點(diǎn)還包括物理理論、物理實(shí)驗(yàn)、工程和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面因素。以其中最容易實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)難點(diǎn)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研發(fā)與實(shí)驗(yàn)，曾創(chuàng)造了眾多世界紀(jì)錄的美國(guó)麻省理工學(xué)院Alcator C-Mod托卡馬克聚變堆由于美國(guó)聯(lián)邦財(cái)政府削減預(yù)算，在2016年9月正式關(guān)停，盡管在其運(yùn)轉(zhuǎn)的最后一天還創(chuàng)造了一項(xiàng)世界紀(jì)錄——最高等離子體壓強(qiáng)。

另一方面，從物理實(shí)驗(yàn)方面來(lái)看，世界各地雖然已經(jīng)建立了許多聚變實(shí)驗(yàn)裝置，其中最大設(shè)施——法國(guó)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)預(yù)計(jì)將在2025年點(diǎn)火，產(chǎn)生第一束等離子體。但這些設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，都不能把聚變能變成電能。

慶幸的是，EAST所創(chuàng)造的約束時(shí)間世界紀(jì)錄將有助于加快政府批準(zhǔn)建設(shè)世界第一座核聚變電站——擬建的中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)——的速度，中國(guó)在合肥啟動(dòng)強(qiáng)流氘氚聚變中子源(HINEG)，目標(biāo)是用核聚變技術(shù)生成世界最強(qiáng)的中子束。CFETR計(jì)劃在2030年投入運(yùn)轉(zhuǎn)，最初的發(fā)電量為200兆瓦，在隨后10年把發(fā)電量提升至1千兆瓦左右，超過(guò)大亞灣所有商業(yè)裂變反應(yīng)堆的發(fā)電量。

雖然，實(shí)現(xiàn)可控核聚變的時(shí)間點(diǎn)還無(wú)法預(yù)料，但這并不妨礙人們對(duì)它的熱情。因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)，意味著人類(lèi)將真正接近共產(chǎn)主義。

想象一下，可控核聚變實(shí)現(xiàn)之后，人類(lèi)理論上獲得了幾乎無(wú)限的負(fù)熵流，即使技術(shù)層次上沒(méi)有再度發(fā)生質(zhì)變，也可以近乎永遠(yuǎn)的生存下去，衣食住行將不再成為問(wèn)題。甚至我們可以通過(guò)暴力傾瀉能量的方式解決很多以前根本無(wú)法有效應(yīng)對(duì)的問(wèn)題，比如水資源匱乏，比如環(huán)境污染，比如氣候寒冷不適宜居住，比如……很多瘋狂的計(jì)劃都可以輕易實(shí)現(xiàn)。

而且，如果能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變，航天推進(jìn)技術(shù)就有可能發(fā)生質(zhì)的變化。錢(qián)學(xué)森在幾十年前就指出，有了可控核聚變，宇宙飛船的航行速度將會(huì)大大提高，恒星系內(nèi)航行將變得很容易。人類(lèi)將會(huì)成為真正的第四級(jí)文明，會(huì)開(kāi)始建設(shè)恒星際飛船，即使是一去無(wú)回，但可控核聚變技術(shù)使得生態(tài)自循環(huán)系統(tǒng)成為可能，飛船能夠自我維持上萬(wàn)年，有人探測(cè)器將會(huì)一代代的出發(fā)，飛向茫茫星空。

如果這樣的話，星空絕對(duì)不是現(xiàn)今看起來(lái)那么寂靜。