核聚变可用于核电站发电吗

近期，南华早报报道了一条消息，引起了国内外网友的广泛关注。据报道，我国工程物理研究院院士彭先觉宣布，中国计划在2028年实现核聚变发电。这一消息让人们感到震惊，因为彭先觉院士是我国著名的原子核物理学专家，曾参与过我国第一代和第二代核武器的设计，他的言论不容忽视。

然而，需要注意的是，核聚变技术一直以来都是全球科学界追求的目标，但至今尚未实现商业化应用。核聚变是一种能源产生方式，通过将轻元素聚合成更重的元素释放出巨大能量。如果我国真的能够成功掌握核聚变技术，并在2028年实现核聚变发电，将无疑是一项具有重大意义的突破。

核聚变作为一种清洁、高效的能源形式，具有巨大的潜力。不少网友甚至直言：掌握这项技术，岂不是可以称霸地球了？

核聚变是什么？它为何有这么大的作用？

核聚变与核裂变

近年来，各国一直在寻找一种可持续的清洁能源来替代污染严重的化石能源。如地热能等能源都存在一定的限制问题，于是人们就把主意打到了核能身上。

目前利用核能的方式分为两种：核裂变和核聚变，它们是两种不同的核反应过程。在核裂变过程中，一个重原子核（如铀-235或钚-239）吸收一个中子，使得原子核变得不稳定。随后，原子核会分裂成两个较轻的原子核，同时释放出两到三个中子和大量的能量。这些中子可以继续引发其他核裂变反应，形成一个连锁反应。

核裂变是用于核能发电和核武器的基本原理。在核武器中，通过迅速释放大量的能量，可以造成巨大的爆炸威力。而在核能发电厂中，通过控制核裂变反应的速率，可以产生足够的热能来转化水为蒸汽，驱动涡轮发电机产生电力。然而，核裂变的反应过程中会产生高放射性废料，需要进行长期的安全储存和处理。

核聚变是将轻元素核（如氢、氘、氚等）聚合成更重的核的过程。常用的燃料是氘（D）和氚（T），它们是氢的同位素。当氘和氚的原子核融合时，会产生一个氦原子核和一个高能中子，并释放出巨大的能量。核聚变是太阳和其他恒星内部的主要能源来源。在太阳的核心，氢原子核通过聚变反应转化为氦原子核，并释放出巨大的能量。这种过程产生的能量使得太阳能够持续地发光和产生热量。因此核聚变技术也被称为“人造太阳”。与核裂变不同，核聚变不会产生高放射性废料，而其燃料（如氢、氘）相对较为丰富。因此人类一直在努力实现人工核聚变，以期能够利用这种高效且清洁的能源形式。

两种核反应的主要不同点在于，核裂变是将重核分裂成两个较小的核，而核聚变是将轻核聚合成更重的核。此外，核裂变需要使用重核作为燃料，而核聚变需要使用轻核作为燃料。在能量释放方面，核裂变和核聚变都可以释放大量的能量，但核聚变的能量密度更高，可以产生更多的能量，是理想的清洁能源。然而，实现核聚变并不容易。

摆在面前的技术难关

核聚变需要将氢等轻元素加热到极高的温度（数千万度），使其变成等离子体并保持足够的密度和稳定性，以确保反应能够持续进行。但是，高温等离子体非常不稳定，容易受到热流和磁场等因素的扰动。高温等离子体与反应堆壁面的相互作用会导致等离子体的能量损失和壁面的磨损，这会导致反应的不稳定性和设备寿命的降低。因此控制等离子体的稳定性是一个非常大的挑战。

目前具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是最可能实现控制的选择。从20世纪40年代末起，各国就陆续开发了多种磁笼途径，每年投入不下于10亿美元，竞争非常激烈，然而各国几十年来从未有过实质性进展。直到20世纪70年代苏联科学家制造出了"托卡马克"装置。

托卡马克是目前是最为成功的核聚变实验装置之一。它的基本结构是一个环形的真空室，其中包含氢等轻元素燃料，以及产生高温等离子体所需的加热器和磁场装置。因为托卡马克装置需要在真空环境中进行核聚变反应，以避免气体分子的干扰和能量损失。因此它有一个真空室，通常采用环形设计，内部涂有反射材料，以减少能量的损失。

托卡马克装置通过加热器将氢等轻元素加热到数千万度的温度，使其形成等离子体。随后利用磁场和等离子体之间的相互作用来控制等离子体的位置、密度和温度等参数。在托卡马克装置中，等离子体会在磁场中形成环形的稳定状态，这种状态被称为“托卡马克状态”。在等离子体达到足够高的温度和密度后，氢等轻元素会发生核聚变反应，产生大量的能量。这些能量就可以用来产生蒸汽，驱动涡轮发电机并产生电力了。

看起来很容易实现是不是？其实不然。要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，称作能量增益因子——Q值。而这个Q值几十年都未能突破1。直到1997年，日本采用氘－氘反应，Q值才突破1，达到了1.25，证明了托卡马克理论上可以真正产生能量。各国先后增加投入入场，然而现在的托卡马克装置离工业应用还差得远，按现有技术水平，一个托卡马克装置的造价高达几千亿美元，这是不可能被接受的。

这么说来，实现可控核聚变似乎还有很长的路，为何我国院士说我们即将实现？

聚变—裂变

彭先觉院士的研究并不是纯粹的聚变技术，而是聚变-裂变技术，它利用微型聚变反应的快中子来轰击天然铀、钍等低放射性元素，从而引发裂变反应，再将其用于发电。因此，虽然有一些标题党的味道，但这仍然是一项非常重要的技术突破。

彭先觉院士采用的是Z箍缩技术（Z-FFR），它先进行微型聚变反应，再引发裂变反应，从而产生可控的核反应。如果在反应过程中出现问题，只需要切断聚变的高压和高温，就能让整个混合反应终止，这样就避免了类似福岛、切尔诺贝利等事故的发生。此外，由于使用的是天然铀、钍等低放射性元素作为燃料，产生的核废料将远少于纯粹的核裂变反应，处理起来也更为简单。

尽管彭先觉院士的研究是聚变-裂变技术，但这一技术的突破仍然具有重要意义。聚变-裂变技术可以利用聚变反应产生的高能中子来引发裂变反应，从而达到发电的目的。相比于传统的核裂变技术，聚变-裂变技术能够使用更为安全的燃料，产生的核废料也更少，处理起来更加简单。这一技术的发展对于未来的能源供应和环境保护都具有重要的意义。

虽说真正的可控核聚变还未掌握，但仅仅这10%的应用，已经让人们看到了核聚变的发电的潜力。尤其是这次实现的聚变—裂变，已经实现了核能利用效能的飞跃。一旦真正掌控核聚变，人类的历史将登上一个新的高峰，而目前我们已经看到了曙光。

ITER项目

2005年，国际热核实验反应堆项目（ITER）正式确定，准备以超托卡马克装置为蓝本，建立世界上第一个试验用的聚变反应堆。所谓超托卡马克装置就是把传统的托卡马克装置的线圈换成超导体，以解决大电流和损耗问题。目前中、日、法、俄都有各自的大型超托卡马克装置，但唯有中国的EAST能给ITER提供实验数据，因为它的结构和应用的技术与规划中的ITER完全一样，性能和技术远超其他三国。

2023年，4月12日，位于中国合肥的EAST装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，这意味着我们离真正掌控可控核聚变又近了一步。核聚变技术一旦成功，那将催生出新的能源革命。人类不仅可以用它当做能源造福全人类，而且也能将其作为飞船能源，真正解决太空中的能源问题。可以想到，未来我们完全可以借此在太空中建立生态圈，开启浩浩荡荡的宇宙殖民时代，星辰大海触手可及！

目前我国在可控核聚变技术领域已经处于世界领先地位；聚变—裂变混合反应堆已经让我们看到可控核聚变的曙光，这是我国的一小步，却是人类的一大步。期待中国可控核聚变电站早日诞生，让我们每个人都能享受的科技进步带来的福利。