核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。圖為核聚變反應(yīng)堆中的等離子體。" width="340" height="184"/> 如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問題，便能通過核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。圖為核聚變反應(yīng)堆中的等離子體。
核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是如何延長反應(yīng)時(shí)間，二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力。由于核聚變無法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā)、再成比例地放大，我們至少還要25年時(shí)間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。
如今，國際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu)，即國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（簡稱ITER，在拉丁語中意為“路”），它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量，每次時(shí)間長達(dá)8分鐘。
據(jù)國外媒體報(bào)道，數(shù)百年以來，人類一直夢(mèng)想著駕馭太陽能，為地球上的生命提供能量。但我們想實(shí)現(xiàn)的，不僅僅是利用太陽能，而是在地球上造出一個(gè)“迷你太陽”，也就是核聚變。
如果我們能解決各種極為復(fù)雜的科學(xué)和工程問題，便能通過核聚變獲取清潔、安全、無窮無盡的能量了。只要每日從水中提取出一千克的氘（氫的一種同位素），產(chǎn)生的電量就足夠成千上萬個(gè)家庭使用。
從上世紀(jì)50年代以來，科學(xué)與工程研究取得了巨大進(jìn)展，使我們朝著可持續(xù)的氫原子聚變反應(yīng)又近了一步。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的核聚變能量雖然很少，但也足以被測(cè)量出來了。但懷疑者和支持者都意識(shí)到，核聚變目前仍面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是如何延長反應(yīng)時(shí)間，二是怎樣的設(shè)備結(jié)構(gòu)才能將核聚變能量轉(zhuǎn)化為電力。
普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室的核聚變研究人員指出，我們至少還要25年時(shí)間才能建成首座商用核聚變發(fā)電廠。但考慮到核聚變帶來的巨大益處，我們還是要繼續(xù)努力的。證明核聚變的可行性也許要不了這么久——我們也必須加快步伐，才能在計(jì)劃未來的能源時(shí)將核聚變納入考慮范圍之內(nèi)。
與太陽能、天然氣與核裂變等其它發(fā)電方式不同，核聚變無法先用微縮模型進(jìn)行研發(fā)、再成比例地放大。核聚變?cè)趯?shí)驗(yàn)階段就需要大規(guī)模開展，并且相關(guān)設(shè)備也需要花很久來準(zhǔn)備。但在接下來的一個(gè)世紀(jì)中，人類必須設(shè)法獲取充足、清潔的能源。如果不在核聚變這種最具前景的能源上想辦法，就未免太愚蠢了。
但這件事做起來相當(dāng)困難：由于原子核均帶正電荷，因此會(huì)與彼此相斥。除非它們以極高的速度運(yùn)行，才能在相撞時(shí)融合在一起，釋放出我們需要的能量。這樣的過程在太陽上會(huì)自然而然地發(fā)生。但在地球上，我們需要用強(qiáng)大的磁鐵來控制住由帶電的氘、氚原子核與電子構(gòu)成的超高溫氣體，也就是我們所說的等離子體。等離子體的溫度極高，超過1億攝氏度。在這樣的高溫下，帶正電荷的原子核便能以超高速運(yùn)行，沖破正電荷產(chǎn)生的排斥力，與別的原子核融合在一起。
磁場(chǎng)約束。而該磁場(chǎng)的一部分是由等離子體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的。" width="322" height="325"/>
ITER采用了一種名叫“托塔馬克”（tokamak）的反應(yīng)裝置，其中的等離子體呈甜甜圈狀，受到強(qiáng)大的磁場(chǎng)約束。而該磁場(chǎng)的一部分是由等離子體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的。
我們還需要從四個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢(shì)：其一，在現(xiàn)有的物理和工程條件下，用計(jì)算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。
原子核融合之后會(huì)形成兩個(gè)高能粒子——一個(gè)α粒子（氦原子的原子核）和一個(gè)中子。要想使等離子體達(dá)到如此高的溫度，就需要在核聚變反應(yīng)開始之前，向反應(yīng)器中提供大量能量。但反應(yīng)一旦開始，核聚變產(chǎn)生的能量就足以維持這一溫度，多余的熱量則可被我們用來轉(zhuǎn)化成可利用的電能。
核聚變所需的燃料在大自然中比比皆是。例如，水中含有大量的氘，反應(yīng)器還可以將鋰轉(zhuǎn)化成氚。并且這些原料廣泛分布于世界各國，不會(huì)受當(dāng)?shù)刈匀毁Y源所限。核聚變是一種清潔的能量來源，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，產(chǎn)物只有氦氣和中子。
核聚變是一種安全的反應(yīng)過程，不可能像核裂變一樣發(fā)生失控。如果反應(yīng)出現(xiàn)異常，等離子體的溫度就會(huì)下降，核聚變反應(yīng)也就隨之停止了。正是由于核聚變具有這樣的特性，數(shù)十年來，人們才對(duì)其展開了不懈研究，并越來越被其所吸引。但核聚變雖然益處多多，對(duì)技術(shù)的挑戰(zhàn)也同樣不容小覷。核聚變領(lǐng)域取得的進(jìn)展主要可以從兩個(gè)方面進(jìn)行衡量。
首先，我們對(duì)高溫等離子體有了更深入的了解。科學(xué)家專門創(chuàng)立了等離子體這一新的物理領(lǐng)域，研究如何將等離子體限制在強(qiáng)大的磁場(chǎng)中，后來還掌握了對(duì)等離子體進(jìn)行加熱、使其保持穩(wěn)定、控制等離子體內(nèi)部擾動(dòng)的能力。
其次，相關(guān)技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步。我們?cè)诖朋w、電磁波源和粒子束領(lǐng)域都取得了重大突破，得以用它們來限制和加熱等離子體。此外我們還研發(fā)出了能夠承受等離子體極端高溫的材料。
從這一過程中取得的進(jìn)步來看，核聚變商業(yè)化還是有望實(shí)現(xiàn)的。首屈一指的便是在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的核聚變能量：上世紀(jì)70年代，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的核聚變能量還只有幾毫瓦，僅僅持續(xù)了幾微秒；但到了90年代，普林斯頓等離子體實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的能量便達(dá)到了1千萬瓦特，歐洲聯(lián)合科研中心在1秒鐘里產(chǎn)生了的能量更是高達(dá)1600萬瓦特。
如今，國際科學(xué)界正聯(lián)手在巴黎建造一處規(guī)模巨大的核聚變研究機(jī)構(gòu)，即國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（簡稱ITER，在拉丁語中意為“路”），它可以產(chǎn)生5億瓦特的熱核聚變能量，每次時(shí)間長達(dá)8分鐘。如果將這些能量轉(zhuǎn)化為電能的話，足以為15萬戶家庭供電。
在此次實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將對(duì)可持續(xù)核聚變發(fā)電廠可能遇到的關(guān)鍵科學(xué)與工程問題進(jìn)行測(cè)試。
ITER采用了一種名叫“托塔馬克”（tokamak）的反應(yīng)裝置，其中的等離子體呈甜甜圈狀，受到強(qiáng)大的磁場(chǎng)約束。而該磁場(chǎng)的一部分是由等離子體中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的。
雖然ITER是被當(dāng)作研究項(xiàng)目來設(shè)計(jì)的，不準(zhǔn)備用來產(chǎn)生電能，但它產(chǎn)生的核聚變能量將高達(dá)給等離子體加熱所需的5千萬瓦能量的10倍。
這是一次巨大的科學(xué)飛躍。在此次實(shí)驗(yàn)中，等離子體加熱所需的大部分能量都來自于核聚變反應(yīng)本身。參與ITER項(xiàng)目的國家占了世界上一半的人口：中國，歐盟，印度，日本，俄羅斯，韓國和美國。此次項(xiàng)目就像一份強(qiáng)有力的國際聲明，彰顯了我們對(duì)實(shí)現(xiàn)核聚變的迫切需求和莊嚴(yán)承諾。
接下來，我們的工作主要由兩方面組成。
首先，我們必須繼續(xù)開展對(duì)托塔馬克的研究。要繼續(xù)促進(jìn)物理和工程領(lǐng)域的發(fā)展，讓等離子體可以維持?jǐn)?shù)月的穩(wěn)定狀態(tài)。我們還需要研發(fā)能夠高耐熱材料，可以在較長時(shí)間內(nèi)承受相當(dāng)于太陽表面溫度五分之一的熱量。此外，我們還要尋找反應(yīng)堆堆芯的屏蔽材料，吸收反應(yīng)釋放出的中子。
其次，我們還需要從四個(gè)方面進(jìn)一步加強(qiáng)核聚變的優(yōu)勢(shì)：
1）在現(xiàn)有的物理和工程條件下，用計(jì)算機(jī)優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)。
計(jì)算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)應(yīng)為甜甜圈形狀，運(yùn)行起來非常穩(wěn)定，并且能自動(dòng)運(yùn)作數(shù)月之久。在核聚變行業(yè)中，這種裝置叫做“仿星器”（stellarators）。
2）研發(fā)磁力更強(qiáng)、體積更小的新型高溫超導(dǎo)磁鐵，從而減少核聚變反應(yīng)堆的體積和成本。
3）用液態(tài)金屬取代固態(tài)金屬來約束等離子體。固態(tài)金屬在接觸等離子體時(shí)可能會(huì)破裂，而液態(tài)金屬不會(huì)，因此或許能解決這個(gè)棘手的問題。
4）取消甜甜圈狀等離子體中間的空心設(shè)計(jì)，讓等離子體的形狀接近于球形。
在采取上述做法之后，即使在強(qiáng)度稍弱的磁場(chǎng)中，實(shí)驗(yàn)裝置也能照常運(yùn)行，或許還能降低反應(yīng)堆的大小和成本。
如今，各國政府紛紛出資，支持上述兩方面的研究。取得的成果將惠及核聚變能源領(lǐng)域的所有研究工作，并將進(jìn)一步加深我們對(duì)宇宙中、以及工業(yè)中的等離子體的理解。而在過去的10至15年間，私營企業(yè)也加入了這一陣營，我們將不斷進(jìn)步，終有一日能獲得用之不竭、清潔安全的能源。