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文 | 夢書君
編輯 | 夢書君
前言
在極高的壓力和溫度下，兩個或更多的原子核能夠克服庫侖斥力壁，通過量子隧道效應，結合在一起形成更重的原子核，並釋放巨大的能量。這種反應被稱為核聚變。它是將輕元素結合成更重元素的過程，從中釋放的能量驅動著太陽和恆星。核聚變有潛力為人類提供幾乎無限的能源，因為其主要燃料來源非常豐富，沒有失控反應或熔毀的風險，並且不會產生長期高放射性廢物或有害的溫室氣體排放。
核聚變反應
因此，在地球上創造一個恆星並利用核聚變反應的能量被譽為解決人類所有能源問題的方法，顯示了原子核的結合能，並展示了核聚變和核裂變反應之間的區別。核裂變涉及不穩定重原子核的分裂，而核聚變涉及輕原子核的融合。
原子核的結合能
核聚變比核裂變的觀察早於後者。1934年，科學家奧利芬特、哈特克和盧瑟福進行了一個實驗，在這個實驗中，他們將氘離子轟擊含有氘的目標化合物，觀察到產生了一個新的氫同位素和一個中子。他們推測發生了「氫轉變效應」，後來證明這個效應實際上就是D-D核聚變反應。
儘管核聚變在二戰前就被發現，但直到20世紀50年代，將核聚變反應用作能源來源的努力才得以實現。與此同時，對核裂變反應的科學理解以及從中產生能量的機制導致了核裂變技術在20世紀60年代初的快速商業化。
在同一時期，核聚變研究被認為進展緩慢，被稱為「煉獄」，因為與裂變相比進展相對緩慢。然而，與在某些元素中自發發生的裂變不同，核聚變只發生在恆星中，其中強大的重力壓力和高溫使核聚變反應得以發生。鑒於所需條件的極端性，很快就清楚在地球上模擬恆星並從核聚變反應中獲取能量將是一個重大挑戰。
1965年，蘇聯公布了一種名為托卡馬克的新型核聚變裝置的有前途的實驗結果。托卡馬克是俄羅斯語縮寫，全稱是「Toroidalnaya Kamera Magnitmaya saksial』nym」，意思是「帶有軸向磁場的環形室」。
托卡馬克是一個類似甜甜圈形狀的裝置，旨在通過磁場來約束高溫等離子體，起初，來自托卡馬克實驗的實驗結果在國際核聚變研究界基本上被忽視。然而，到了1970年代初，托卡馬克的效力變得顯而易見，許多國家開始開發自己的托卡馬克裝置。世界範圍內值得注意的托卡馬克裝置包括：英國的歐洲聯合托卡馬克，日本的JT-60托卡馬克。
自冷戰結束以來，核聚變的重點轉向了國際合作，共同發展核聚變技術。歐盟、印度、日本、俄羅斯、美國、韓國和中國共同參與了ITER托卡馬克的建設。顯示了ITER的截面圖。ITER正在法國普羅旺斯附近的聖保羅萊杜朗斯建設，它將是迄今為止世界上最大的核聚變反應堆，被認為是通往核聚變能源的下一個重要步驟。
ITER的主要目標是實現比維持核聚變反應所需能量多五倍的核聚變反應，但它也將展示使用托卡馬克實現核聚變能源的科學和技術可行性。ITER的「第一次等離子體」預計將於2025年開始，但全功率D-T操作的開始已經從最初的開始日期推遲了近20年，現在預計將於2035年開始。
核聚變科學基礎
在兩個或更多輕原子核聚變的過程中，聚變反應的產物質量略小於反應物質量之和。這種質量差異是質量轉換為能量，正如阿爾伯特·愛因斯坦所推測的，並後來得到證實。質量和能量之間的關係其中E，m和c分別是釋放的能量，質量差異和光速。對於核聚變反應，剩餘的結合能將以粒子的動能形式釋放。
氦-4核在比碳-12更輕的任何原子中具有最大的結合能，因此它是最穩定的輕元素。因此，在有效利用核聚變反應能量併產生穩定產物方面，最理想的是融合產生氦核的輕原子。融合較輕的原子核還有另一個重要優勢。
較輕的原子具有較低的電荷，在與其他原子核相互作用時會減少排斥作用，增加核聚變反應發生的可能性。因此，氫的輕同位素氘和氚之間的核聚變反應是未來核聚變反應堆燃料循環的最佳選擇。
在這三個反應中，哪一個提供了最佳的能源利用選項呢？核聚變反應的難度可以通過反應率來表達，反應率被定義為每單位時間內每單位目標核密度發生反應的概率。核聚變反應的反應率可以通過核截面σ和相對速度ν的乘積來獲得。
其他可能的輕原子核之間的核聚變反應的平均反應率<σν>。顯然，反應率越低，核聚變反應發生所需的條件就越極端。氘和氚之間的原子核反應的反應率最有利，因此目前的努力集中在生產D-T核聚變反應堆。
然而，儘管從物理角度來看，D-T反應的反應率使其成為有利的選擇，但由於涉及到氚的長期可用性的複雜性，不受歡迎的化學性質以及反應產生的高能中子，避免使用氚的其他核聚變燃料可能更為可取。其中，氘-氘核聚變反應以及其他非中子產生的核聚變反應被認為是未來核聚變反應堆的最佳長期選擇。
輕原子核之間核聚變反應的平均反應率
雖然D-T核聚變反應需要較低的動能溫度才能發生核聚變，但仍然需要達到幾十keV的極高溫度。核聚變反應堆必須被設計為提供並保持核聚變反應所需的條件。在核聚變反應堆中，氘和氚的原子被加熱到非常高的溫度。在高溫下，圍繞原子的電子與核分離，形成離子化的、導電的物質，稱為等離子體。
為了發生聚變，包含聚變燃料的等離子體必須達到所需的熱能量，這需要對等離子體進行同時的約束和加熱。等離子體可以通過磁場來約束，因為它帶有正電荷。由於等離子體是導電的，也可以在其中誘導電流。有多種方法可以控制聚變等離子體。
為了從核聚變反應中產生凈正能量，反應釋放的能量必須大於誘導反應所需的能量。對於核聚變反應堆來說，這是等離子體中核聚變反應輸出能量與維持等離子體所需能量的比率，稱為核聚變增益Q，或稱為Qfus。
實現Q = 1的條件被稱為科學盈虧平衡條件，即能量產生等於能量輸入的時刻。對於核聚變反應堆來說，輔助系統功率需求和發電效率低下意味著科學盈虧平衡條件對於商業核聚變反應堆來說是不夠的。
相反，必須將核聚變反堆的能量產生與整個核聚變發電廠的總能量消耗進行比較。這被稱為工程增益Qeng。同樣，實現Qeng = 1的條件被稱為「工程盈虧平衡」，實現這些條件是實現核聚變能源的真正目標。
有三種方法可以改善Q值，以更接近核聚變條件。首先，通過增加核聚變反應的速率，同時減少所需的外部加熱水平，可以增加Q值。這通過核聚變反應的體積率f來表示，其中n是燃料的密度，<σν>是平均反應率。
由於<σν>與溫度T的平方成正比，核聚變反應的體積率f與n2T2成正比，因此當二者同時增加時，將導致Q值增加。核聚變反應的速率取決於等離子體的密度和溫度，因此增加溫度和密度是增加Q值的兩種方法之一。
核聚變反應堆的方法
儘管有幾種控制和約束核聚變等離子體的方法，但目前正在探索的兩種主要方法是基於磁約束和慣性約束的概念。
磁約束核聚變反應堆是兩種方法中更為先進的，它利用由電磁線圈產生的磁場來將核聚變等離子體約束在一個環形容器中。有兩種主要類型的環形核聚變裝置。托卡馬克，如ITER，利用圍繞環形容器排列的磁線圈產生環向磁場來約束等離子體，並使用次級極向磁場來驅動等離子體中的電流。
其他托卡馬克變種，如球形托卡馬克設計，具有較低的外徑與內徑之比，展現出不同且潛在更好的等離子體性能，但在工程設計上會增加困難。
另一種磁約束概念是恆星器，它在等離子體容器周圍以螺旋形配置磁線圈，創建一個螺旋形磁場來驅動電流。托卡馬克和恆星器系統之間的差異有所說明。恆星器被認為是一種潛在的長期解決方案，目前正在積極研究恆星器為基礎的核聚變反應堆，但與球形托卡馬克一樣，在工程設計上可能會面臨很大挑戰。
與磁約束方法不同，慣性約束核聚變方法試圖通過外部加熱和壓縮核聚變燃料目標，以實現所需的更高溫度和密度，以啟動核聚變反應。對於大多數ICF概念和方法，高功率激光被用於壓縮和加熱燃料。
最近，第三種方法在最近幾年內引起了人們的關注，並受到了許多科學家甚至商業的關注。磁化目標核聚變，有時稱為磁化慣性核聚變，旨在利用比MCF方法更高密度的等離子體，但使用比ICF方法中使用的激光功率和其他驅動器更低的功率。
MTF可能提供一種獨特的核聚變途徑，許多獨特概念的加速開發在特別是美國得到了重要的支持，其中美國高級能源研究項目署「ALPHA」計劃提供了支持磁化目標核聚變途徑的探索。
反應堆發展進展
核聚變反應堆通常通過其實現高等離子體密度n、溫度T的能力來評估。因此，核聚變反應堆的發展歷史最好看作是在勞森圖上提高核聚變增益Q的歷史。勞森圖顯示了核聚變反應堆發展的進展，顯示了向勞森判據邁進的過程，其中中央離子溫度顯示在水平軸上，等離子體密度與能量約束時間的乘積顯示在垂直軸上。
自1970年代以來，核聚變反應堆已經穩步改善，逐漸接近科學盈虧平衡條件。然而，當科學界在等待被推遲的ITER項目開始運行時，過去兩十年向盈虧平衡的進展停滯不前，因為所有的注意力都集中在確保ITER的成功上，這轉移了對其他途徑和甚至是其他托卡馬克概念的探索的努力、資源和時間。
能源生產
朗肯循環是一種封閉的蒸汽渦輪系統，通過將熱源的能量轉換為電能來發電。標準朗肯循環遵循四個階段的過程。水進入一個鍋爐，其能量由熱源提供，在其中熱源中帶走的能量足夠高，使水蒸氣成飽和狀態。飽和蒸汽經過蒸汽渦輪，其中它膨脹並將其能量轉移給渦輪，形成旋轉能量，用於驅動發電機產生電力。
在通過渦輪膨脹後，產生的濕蒸汽進入冷凝器，將其轉變回液態。最後，液態水通過泵，將工作流體從低壓鍋爐返回高壓鍋爐，循環重複進行。目前，朗肯循環以及朗肯循環的變種，如再熱和再生朗肯循環，在煤炭、石油和核裂變發電廠廣泛使用。由於核裂變反應堆與核聚變反應堆在產生高級熱方面條件相似，未來的核聚變發電廠預計也將採用朗肯循環。
事實上，核聚變產生高級過程熱的潛力為未來能源發電技術開闢了許多途徑。核聚變用於過程熱應用的新穎想法，例如氫氣生產、高溫海水淡化或生物質氣化等，有望促進更大比例的初級能源市場深度脫碳，使核聚變技術能夠更好地支持不斷增長的全球能源需求。
總結
核聚變一直受到頻繁的質疑，長期以來人們一直開玩笑說它「永遠還有30年」，指的是自1970年代以來，核聚變科學家一直預測核聚變能源將需要30年時間才能商業化。似乎這種情況一直存在，批評者認為它將永遠如此。考慮到這一點，在當前時間做出同樣的聲明可能會顯得不真誠，但預計商業核聚變發電廠將在大約30年後實現。
