核聚變是一種為恒星提供能量的過程，由于這種能量產(chǎn)生方式低污染、低輻射，科學家們一直在努力尋求開發(fā)實用核聚變，為解決未來地球能量供應問題提供方案。

最新的好消息來自歐洲。2月9日，總部位于英國的歐洲聯(lián)合環(huán)形（JET）實驗室將兩種形式的氫擠壓在一起，在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦（相當于11兆瓦功率）的能量，打破了1997年該實驗室自己創(chuàng)造的世界紀錄，提取的能量相當于25年前的兩倍多，當時產(chǎn)生的能量為21.7兆焦。

5秒維持等離子體穩(wěn)定

“實驗使我們離聚變更近一步。”JET反應堆實驗室運營負責人喬·米爾內(nèi)斯（Joe Milnes）博士表示，“我們已經(jīng)證明，可以在我們的機器內(nèi)部創(chuàng)建一個迷你恒星，將其保持5秒鐘并獲得高能量，這將我們帶入了一個新領域。”

盡管59兆焦的能量并不是一個巨大的能量輸出，基本只夠煮大約60個水壺的水，但這項實驗的突破驗證了正在法國建造的一個更大的聚變反應堆設計的可行性。

“這是一個驚人的結(jié)果，具有里程碑的意義，實現(xiàn)了歷史上聚變反應產(chǎn)生的最大能量輸出。”核聚變專家亞瑟·特瑞爾（Arthur Turrell）博士評論道，“他們證明了5秒內(nèi)等離子體的穩(wěn)定性，雖然這聽起來不是很長，但在核時間尺度上，這確實是一個非常非常長的時間。而從5秒到5分鐘，再到5小時甚至更長時間，要容易得多。”

正在法國南部建造的核聚變ITER設施得到了包括歐盟成員國、美國、中國和俄羅斯在內(nèi)的政府資金支持。ITER項目預計這將是證明核聚變能在本世紀下半葉成為可靠能源供應的最終一步。

“我們剛剛完成的實驗必須成功，因為如果不成功，我們就會擔心ITER是否能夠?qū)崿F(xiàn)它的目標。”JET實驗室首席執(zhí)行官伊恩·查普曼（Ian Chapman）教授表示。

聚變的工作原理是，可以通過將原子核強制擠壓在一起產(chǎn)生能量，而不是分裂它們來釋放能量。在太陽核心，巨大的引力壓力使得聚變能夠發(fā)生在大約1000萬攝氏度的溫度下；而在地球上壓力要低得多，產(chǎn)生聚變的溫度需要超過1億攝氏度。

由于不存在可以承受如此高溫的直接接觸的材料，為了在實驗室中實現(xiàn)聚變，科學家們設計了一種解決方案，將過熱氣體或等離子體保持在環(huán)形磁場內(nèi)。

JET實驗室位于牛津郡庫勒姆，這是一個規(guī)模較小的環(huán)形項目，已經(jīng)開展了近40年的研發(fā)工作，內(nèi)部使用銅電磁鐵。在過去的10年中，JET被當作ITER設施復制的原型，JET將于2023年退役。

實現(xiàn)可控核聚變目標

ITER的規(guī)模更大，環(huán)形容器體積將是JET的10倍，并將使用內(nèi)部冷卻的超導磁體。ITER將在2025年之后開始等離子體實驗，該實驗室用于制造等離子體的首選“燃料”將是氫的兩種形式氘和氚。

海水中蘊藏著大約40萬億噸氘，一升水能夠提煉0.03g的氘，其發(fā)生聚變反應釋放的能量相當于燃燒300升汽油或者燃燒336公斤煤。按這樣計算，地球上的海水可以供人類使用上億年。

但聚變何時能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化仍然存在巨大的不確定性。一項估計表明，這一時間可能需要20年，而擴大規(guī)模需要再延遲幾十年。

中國科學院院士、中科院上海天文臺名譽臺長葉叔華去年曾告訴第一財經(jīng)記者：“地球能源從根本上來自太陽，而恒星的能源則來自核聚變。可控核聚變是科學家和全社會數(shù)十年來追求的目標，而多國共同參與的ITER項目，有望在該領域?qū)崿F(xiàn)突破。”

中國也是ITER的重要參與者，擁有話語權(quán)，主要工作由中科院合肥研究院等離子體物理研究所參與，負責多個項目的建造，包括承擔建設聚變堆主機關鍵系統(tǒng)綜合研究設施(CRAFT)。

“雖然ITER是一個主要由歐盟主導的項目，但中國在其中的影響力也不容忽視。”一位項目參與人士對第一財經(jīng)記者表示，“ITER的整體進度取決于每個參與國的進度，各自都承擔了不同的工作和部件，如果一個項目延遲，那么整體進程就會被拖延。中國將盡力確保自己的工作能保質(zhì)保量地完成。”

中科院等離子體物理研究所所長宋云濤研究員去年9月在一場“碳達峰碳中和科技論壇”上曾透露，已經(jīng)開始做未來核聚變發(fā)電站工程設計。“聚變能是核能發(fā)展的最終目標，聚變能可以為碳中和的實現(xiàn)做出重大貢獻。”宋云濤表示。

中國獨立自主創(chuàng)新、協(xié)同攻關建設的大科學裝置“人造太陽”EAST(全超導托卡馬克核聚變實驗裝置)已經(jīng)穩(wěn)定運行15年，這也是世界上首個全超導非圓截面托卡馬克核聚變實驗裝置，該裝置又稱為“東方超環(huán)”。

在我國，建設核聚變電站成本很高，其中超導磁體占了約40%的成本。但隨著我國越來越多地使用自主研發(fā)的超導材料和零部件，未來超導磁體的成本也有望下降。中國有望在2060年前建成核聚變電站并廣泛應用。

標簽： 核聚變 等離子體 人造太陽 能源