核聚变的物质未来?

2021年12月21日，英国牛津郡一个寂静的角落变得比太阳核心热10倍。在银色、甜甜圈状的联合欧洲环面(Jet)内部，由发光等离子体流产生的聚变反应持续了5秒。它只产生了59兆焦耳的能量——勉强够一个小房子用一天——但每个观看的人都知道11兆瓦的爆炸意味着什么。这是核聚变产生能量的一项新的世界纪录。

Jet位于英国原子能管理局(UKAEA)的Culham科学中心，是英国聚变研究的国家实验室，也是28个欧洲国家广泛合作的欧洲聚变合作的一部分。Jet公司Eurofusion的高级开发经理费尔南达·里米尼(Fernanda Rimini)是现场目睹这一事件的少数人之一。“我想，‘我是个成年人，我经历过，我做过，这不会令人兴奋。我错了。我们当时处在一个奇怪的大流行的情况下，控制室里只有六个人，我们不能让整个团队都在那里，但是我们有中子的实时测量。我们把它放大了，所以顶部是10兆瓦。当体重超标时，我们就知道了。我们回家喝了一瓶香槟酒。”

对于外行来说，在耗资数百万美元的设施中生产如此少量的能源似乎是浪费时间。核聚变能源的概念及其近乎无限的清洁能源的前景已经存在了一个世纪，但一个可行的反应堆似乎还需要几十年的时间。那么，为什么核聚变能源值得我们为之兴奋?它是能源的未来，还是仅仅是一个白日梦?

初学者融合

核聚变是两个原子核结合在一起形成一个新的、更重的原子核。这就是所有比氢重的元素是如何形成的，通常是在恒星密集的宇宙熔炉中。任何产生比铁-56或镍-62更轻的原子的核聚变反应通常都是放热的，导致能量和中子的释放。我们每天都能看到并受益于这一过程:太阳通过核聚变产生能量，每秒钟约有5亿吨氢聚变成氦。(虽然这听起来令人印象深刻，但太阳作为核反应堆的效率相对较低;它只在核心处实现聚变，并依靠引力(一种相对较弱的力)来驱动其反应速率。

现有的核能依赖于核裂变，即原子分裂产生较轻原子的过程。为了使发电厂可行，他们必须使用重的放射性元素，如铀和钚。然而，核裂变的能源效率比核聚变低，而且会产生更多的放射性废料。相比之下，核聚变反应堆可以使用任何轻元素，但作为地球上最轻、含量第三多的元素，氢最有意义，尤其是它的两种较重的同位素——氘和氚。它们分别包含一个和两个中子，因为它们达到聚变条件的温度比其他替代品要低，并且产生比“正常”氢原子更多的能量。里米尼说:“你产生的是一个氦粒子，它留在等离子体中，等离子体本身的热量，以及一个中子。”“你产生的能量比你投入的要多。产生这种能量的成本很低，而且你可以重复使用未消耗的燃料。它非常、非常高效。”

你需要高密度和高温来让原子足够近地碰撞并克服斥力

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的等离子体物理学家Tammy Ma解释说:“如果我们能让它工作，它将成为终极能源。”没有碳副产品，而且我们基本上可以从海水中获取燃料。它是丰富的，所以如果我们能让它发挥作用，就会有很多好处。她补充说，问题在于原子核很难相互碰撞以发生聚变。而且，由于原子核由于质子而带正电荷，它们由于库仑斥力而相互排斥。“你需要高密度和高温才能让原子弹跳得足够近，并有足够的能量，有足够的概率发生碰撞并克服斥力，”Ma说，“这就是为什么它如此困难。”

正是这个挑战——本质上是如何复制恒星的内部——导致了从非常不同的角度尝试并实现聚变能。这是一场可能决定未来世界将如何供电的竞赛。

权力真空

Jet是欧洲寻找可行核聚变反应堆的先锋队。它的核心是将氘和氚加热到1.5亿摄氏度左右，利用磁场限制产生的等离子体。“它使用托卡马克，”里米尼说，“它是一个环形的形状，一个略微拉长的甜甜圈，你注入一些气体，然后电离。这种离子和电子的混合意味着你可以把它们绑在磁场线上，所以如果你产生了正确的磁场，粒子就会受到限制。接下来，你需要加热它们。我们通过注入高能中子粒子——它们必须是中子(带中性电荷)，否则它们不会穿过磁场——以及不同频率的无线电波来做到这一点。其中有很多微妙之处，但基本上，波会通过共振将部分能量传递给离子或电子，这将提高温度。”

托卡马克，基本上就是一个圆形的大锅，在真空中，为聚变创造条件。虽然很难达到所需的温度，但一旦达到，它就非常高效:在2021年12月的测试中，该团队只燃烧了大约0.1毫克的氚，就产生了59兆焦耳的记录。

如前所述，这是一个相对较小的能量，仍然只有启动反应所需的70%左右，这意味着它不能作为一个发电厂工作。然而，尽管Jet是数十年研究的结果，但它只是欧洲下一个项目——正在法国普罗旺斯建设的国际热核实验反应堆(Iter)的垫脚石。当它在2025年投入使用时，它将成为世界上最大的托卡马克，并希望产生比启动所需能量大10倍的能量输出。托卡马克的后续型号Demo已经在计划阶段。目前，Jet的重点是运行实验，以帮助Iter的设计过程，托卡马克计划在2023年退役。

在劳伦斯利弗莫尔国家实验室，马和他的团队采取了一种非常不同的方法。“我们使用非常高能的激光，”马解释道。“我们将含有氘和氚的燃料球压缩到非常高的密度和温度，使核聚变成为可能，达到可以克服库仑斥力的状态。”

马的团队在实验室的国家点火设施(Nif)进行这项工作。“Nif是世界上最大、能量最大的激光器，”她解释道。它由192个独立的激光器组成，每一个都接近世界上能量最高的激光器。它被安置在一个有三个美式橄榄球场宽，10层楼高的建筑里，这是所有放大物体所需要的。事实上，它是世界上最大的光学仪器。“当它发射时，设备的光束会被3070块掺杂钕的磷酸盐玻璃放大，每片玻璃重42公斤，并设置在布鲁斯特角，以减少反射损失。”“我们的想法是，把所有的能量(约1.9兆焦耳)集中在一个小球轴承大小、直径约2毫米的目标上。”

目标由一个空腔组成，一个两端有两个孔的小罐子，可以让激光进入。激光通过这些激光入口孔传播，击中内壁，并产生一个非常高能的x射线浴，然后压缩悬浮在空腔中心的燃料球。“x射线能量会烧蚀太空舱的外表面，”Ma继续说道。“它以每秒几百公里的速度飞行，根据动量守恒，胶囊的其余部分必须向内运动。这个过程加热并压缩中间的氘和氚，使其达到聚变条件。“这将使颗粒中的燃料密度缩小到铅的100倍左右，并将其加热到1亿摄氏度。单次射击需要几百皮秒，大约是眨眼速度的一百万倍，运行功率大约是整个美国电网的1000倍。幸运的是，拍摄时间短意味着摄制组每次拍摄只消耗约14美元(11英镑)的电力。

劳伦斯利弗莫尔的研究小组在过去的一年里也取得了巨大的里程碑，获得了一个称为“燃烧等离子体”的阶段，在那里有持续的、持续的聚变反应。“核聚变能量背后的理念是，你想要产生比你投入的更多的能量，”马说。目前，我们已经证明了70%的点火阈值，这是我们在去年8月取得的重大成就。但要让发电厂运转起来，经济问题也必须得到解决。你需要获得比你投入的能量多50-100倍的能量。因此，找到一种目标设计，以及一种能够带来如此高收益的整体方法，是我们目前面临的一大挑战。”

材料问题

核聚变面临的最大问题不是达到所需的不可思议的温度，而是长期维持这种环境所需的材料科学。里米尼解释说，这就是为什么Jet不能超过几秒钟。“Jet的磁场是基于相当老旧的铜线圈，托卡马克壁不是主动水冷，所以高聚变周期最多只能运行10-15秒。”

反应堆需要抗辐射，能够承受极端温度，并在其生命周期内保持其性能

UKAEA在Culham科学中心建立了一个新的材料研究设施来解决这些问题。计算核物理学家格雷格·贝利(Greg Bailey)是寻求解决方案的工作人员之一。他说，铜磁铁会变得太热。“所以，未来我们将使用超导磁体。希望我们能了解更多。这些实质性的变化在过去已经发生过。“Jet实际上改变了墙壁的材料，”贝利说。“最初我们用碳做墙壁，因为这样做实验更容易。它应该是完美的，但实际上，它是可怕的!我们得到了大量的氚滞留-我们的燃料流失到壁上，氢漂浮在里面。 So we had to change it.’

Bailey解释说，Jet发现并解决的设计挑战已经被注入Iter。“反应堆的材料应该是什么?”它需要能够抵抗[辐射]的破坏，能够承受温度和极端环境，并在其生命周期内保持其机械性能。所以，就聚变反应堆而言，绝大多数可能是钢铁。真正有趣的部分来自真空容器，你的外壳，因为它们将面临极端情况。显然，他们需要盔甲。”

这导致Iter计划被440个“毯子”模块覆盖，重达4.6吨，覆盖托卡马克结构的钢材。在反应过程中释放的中子进入包层后可以减速，它们的动能转移到冷却剂系统中以获得另一种形式的动力。人们希望这种毯子还可以用来解决反应堆的另一个问题:它们的原料。

“地球上有大量的氘，”贝利说，“但氘聚变产生的中子能量低得多;这并不是一个可行的能源来建造发电厂。氚不是自然产生的。为了获得氚，该研究小组计划使用锂，锂-6含量增加，在中子照射下分解产生氚。虽然这是自然发生的，但问题是锂在锂离子电池中的应用已经有很高的需求。贝利说，坦率地说，当锂进入我们的反应堆时，我们会销毁它。“燃料不是问题;关键是你如何生产它。”

贝利解释说，这就是毛毯的用武之地。“现在很多设计都是将锂和铅，或者锂和陶瓷以及一些铍混合在一起。这个想法是，你得到氘和氚，聚变反应堆打开，聚变反应中产生的中子撞到毯子上，氚繁殖反应就会发生。然后我们可以提取氚来给反应堆补充燃料。很明显，中子辐射进入毛毯会引起大量的加热。“它还没有完善，但贝利相信，在Culham进行的实验将指明道路，可能会与私营部门合作;fusion已经吸引了包括亚马逊亿万富翁创始人杰夫·贝佐斯在内的主要投资者。里米尼说:“如果我们想在工业规模上进行核聚变，我们现在就需要开始建立供应链。”我们需要开始发展这个行业。”

在劳伦斯利弗莫尔，马的团队面临着不同的材料障碍。她说，我们需要开发配套技术。“这包括高效率、高重复频率的激光器。在国家科学研究所，我们是一个科学示范设施。为了让发电厂工作，我们必须在一秒钟内重复大约10次反应，才能计算出计算结果。我们需要能够承受我们正在产生的高辐射通量和碎片的新材料。

马云承认，这是主要挑战之一。她说:“尽管如此，不同的融合方法之间有很多共同点。”材料问题、氚燃料循环问题、热转换问题都是一样的。如果我们有足够的资金，我们可以在未来5到10年取得良好的进展。但从技术上讲，据我们所知，还没有什么精彩绝伦的电影。”

在核聚变领域，无论采用何种技术，没有人指望这些问题能在一夜之间得到解决。而且，尽管核聚变的前景已经有一个世纪的历史了，但目前的挑战意味着这项技术在几十年内都不会成熟。这不是解决能源成本上升或减少碳排放的短期方案。“然而，”马骏补充说，“我们相信，从长远来看，它必须成为全球净零排放的一个组成部分。一旦我们搞清楚了，我们可以在任何地方建造发电厂。这是一种能源，将有助于能源公平，并在很大程度上造福社会。如果我们能实现核聚变，这就是核聚变的好处。”

就目前而言，实现商业规模的核聚变能源仍然是一个遥远的梦想。然而，考虑到它的潜力，这是一个值得拥有的梦想。

Kit Chapman是英国法尔茅斯大学的科学记者和讲师．