能源利用

 2023年12月14日，中核集团核工业西南物理研究院与国际热实验堆ITER（世界最大的“人造太阳”项目）总部，在法国卡达拉奇签署协议，宣布新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放，邀请全世界科学家来中国集智攻关，共同追逐“人造太阳”能源梦想。这对探索未来聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义。

“人造太阳”实现能源自由

“人造太阳”被认为是解决人类能源和碳排放问题的一种“终极方案”，因此俗称“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置进展备受市场关注。它模拟太阳的核聚变反应释放能量，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高密度、温度，使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。

核聚变又称核融合或聚变反应，是将两个较轻的原子核相互碰撞形成较重的原子核，同时在这个过程中释放出大量的能量。需要注意的是，此过程并没有遵循物质守恒原理，聚变的原子核部分物质被转化为光子。

理论上，原子都能转化成能量，正如爱因斯坦最著名的质能方程所描述的那样：E=mc2。核聚变过程中的质量（m）差会以能量（E）的形式释放出来。由于光速（c）非常大，因此即使非常小的质量也能转化为非常巨大的能量。在发生核聚变时，两个带有正电荷的原子核会相互排斥，需要提供一个足够的原始能量，才能使它们克服库伦斥力从而紧密地结合在一起。恒星的能量就是通过核聚变而来，比如太阳。

核聚变最关键的是点火

需要提及的是，核聚变的原料氘在海水中储量丰富，但是原料氚则比较缺乏，一个可能的解决办法是利用核聚变本身产生的氚。

聚变反应堆可以分为惯性约束聚变反应堆和磁约束聚变反应堆。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）就是一种惯性约束聚变反应堆。体育场大小的NIF能精确地对多束强大的激光进行引导、放大、反射和聚焦，让它们在很短的时间内射向一个只有厘米大小的空心圆柱体，被称为腔靶。在腔靶中有一颗非常小的燃料丸，仅胡椒粒大小，而燃料丸的原料是氢同位素氘和氚。

利用核聚变最关键的一点就是核聚变点火。那么，什么是核聚变点火呢？核聚变点火是指聚变反应所产生的能量等于或大于输入能量的时刻。在聚变反应堆中，当核聚变点火成功，聚变反应就会释放出一些α粒子。这些粒子会加热等离子体，释放出更多的α粒子，最终形成一个能够自我维持的反应。

核聚变是更为安全的核反应方式

谈到核聚变，我们不得不提及另一个与核相关的反应——核裂变，又称核分裂。核裂变是指较重的原子分裂成较轻原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站或核能发电厂的能量来源都是核裂变。比如，铀原子加热后放出中子，中子再去撞击其他原子，从而形成链式反应而自发裂变。但是，核裂变有燃料熔化的风险，并且会产生辐射，而核聚变则没有这些缺点，是更为安全的核反应方式。近几十年来，核聚变一直是能源领域的“圣杯”，具有极大的发电潜质。

相比化石燃料石油、煤炭、天然气等，核聚变不会产生任何温室气体，不需要依赖所需自然资源的可用性。目前，核聚变被认为是最清洁、低碳、低风险、低废弃物、可持续和可控的。但是，要想进行实际应用，核聚变还有许多其他需要克服的问题，接下来的研究重点是如何能提高效率。在核聚变成为一种可行的能源，并真正投入广泛应用之前，我们还有很长的路要走。

（作者：西北师范大学教授、博士生导师莫尊理，西北师范大学研究生成青松）

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