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文 | 梦书君
编辑 | 梦书君
前言
在极高的压力和温度下，两个或更多的原子核能够克服库仑斥力壁，通过量子隧道效应，结合在一起形成更重的原子核，并释放巨大的能量。这种反应被称为核聚变。它是将轻元素结合成更重元素的过程，从中释放的能量驱动着太阳和恒星。核聚变有潜力为人类提供几乎无限的能源，因为其主要燃料来源非常丰富，没有失控反应或熔毁的风险，并且不会产生长期高放射性废物或有害的温室气体排放。
核聚变反应
因此，在地球上创造一个恒星并利用核聚变反应的能量被誉为解决人类所有能源问题的方法，显示了原子核的结合能，并展示了核聚变和核裂变反应之间的区别。核裂变涉及不稳定重原子核的分裂，而核聚变涉及轻原子核的融合。
原子核的结合能
核聚变比核裂变的观察早于后者。1934年，科学家奥利芬特、哈特克和卢瑟福进行了一个实验，在这个实验中，他们将氘离子轰击含有氘的目标化合物，观察到产生了一个新的氢同位素和一个中子。他们推测发生了“氢转变效应”，后来证明这个效应实际上就是D-D核聚变反应。
尽管核聚变在二战前就被发现，但直到20世纪50年代，将核聚变反应用作能源来源的努力才得以实现。与此同时，对核裂变反应的科学理解以及从中产生能量的机制导致了核裂变技术在20世纪60年代初的快速商业化。
在同一时期，核聚变研究被认为进展缓慢，被称为“炼狱”，因为与裂变相比进展相对缓慢。然而，与在某些元素中自发发生的裂变不同，核聚变只发生在恒星中，其中强大的重力压力和高温使核聚变反应得以发生。鉴于所需条件的极端性，很快就清楚在地球上模拟恒星并从核聚变反应中获取能量将是一个重大挑战。
1965年，苏联公布了一种名为托卡马克的新型核聚变装置的有前途的实验结果。托卡马克是俄罗斯语缩写，全称是“Toroidalnaya Kamera Magnitmaya saksial’nym”，意思是“带有轴向磁场的环形室”。
托卡马克是一个类似甜甜圈形状的装置，旨在通过磁场来约束高温等离子体，起初，来自托卡马克实验的实验结果在国际核聚变研究界基本上被忽视。然而，到了1970年代初，托卡马克的效力变得显而易见，许多国家开始开发自己的托卡马克装置。世界范围内值得注意的托卡马克装置包括：英国的欧洲联合托卡马克，日本的JT-60托卡马克。
自冷战结束以来，核聚变的重点转向了国际合作，共同发展核聚变技术。欧盟、印度、日本、俄罗斯、美国、韩国和中国共同参与了ITER托卡马克的建设。显示了ITER的截面图。ITER正在法国普罗旺斯附近的圣保罗莱杜朗斯建设，它将是迄今为止世界上最大的核聚变反应堆，被认为是通往核聚变能源的下一个重要步骤。
ITER的主要目标是实现比维持核聚变反应所需能量多五倍的核聚变反应，但它也将展示使用托卡马克实现核聚变能源的科学和技术可行性。ITER的“第一次等离子体”预计将于2025年开始，但全功率D-T操作的开始已经从最初的开始日期推迟了近20年，现在预计将于2035年开始。
核聚变科学基础
在两个或更多轻原子核聚变的过程中，聚变反应的产物质量略小于反应物质量之和。这种质量差异是质量转换为能量，正如阿尔伯特·爱因斯坦所推测的，并后来得到证实。质量和能量之间的关系其中E，m和c分别是释放的能量，质量差异和光速。对于核聚变反应，剩余的结合能将以粒子的动能形式释放。
氦-4核在比碳-12更轻的任何原子中具有最大的结合能，因此它是最稳定的轻元素。因此，在有效利用核聚变反应能量并产生稳定产物方面，最理想的是融合产生氦核的轻原子。融合较轻的原子核还有另一个重要优势。
较轻的原子具有较低的电荷，在与其他原子核相互作用时会减少排斥作用，增加核聚变反应发生的可能性。因此，氢的轻同位素氘和氚之间的核聚变反应是未来核聚变反应堆燃料循环的最佳选择。
在这三个反应中，哪一个提供了最佳的能源利用选项呢？核聚变反应的难度可以通过反应率来表达，反应率被定义为每单位时间内每单位目标核密度发生反应的概率。核聚变反应的反应率可以通过核截面σ和相对速度ν的乘积来获得。
其他可能的轻原子核之间的核聚变反应的平均反应率<σν>。显然，反应率越低，核聚变反应发生所需的条件就越极端。氘和氚之间的原子核反应的反应率最有利，因此目前的努力集中在生产D-T核聚变反应堆。
然而，尽管从物理角度来看，D-T反应的反应率使其成为有利的选择，但由于涉及到氚的长期可用性的复杂性，不受欢迎的化学性质以及反应产生的高能中子，避免使用氚的其他核聚变燃料可能更为可取。其中，氘-氘核聚变反应以及其他非中子产生的核聚变反应被认为是未来核聚变反应堆的最佳长期选择。
轻原子核之间核聚变反应的平均反应率
虽然D-T核聚变反应需要较低的动能温度才能发生核聚变，但仍然需要达到几十keV的极高温度。核聚变反应堆必须被设计为提供并保持核聚变反应所需的条件。在核聚变反应堆中，氘和氚的原子被加热到非常高的温度。在高温下，围绕原子的电子与核分离，形成离子化的、导电的物质，称为等离子体。
为了发生聚变，包含聚变燃料的等离子体必须达到所需的热能量，这需要对等离子体进行同时的约束和加热。等离子体可以通过磁场来约束，因为它带有正电荷。由于等离子体是导电的，也可以在其中诱导电流。有多种方法可以控制聚变等离子体。
为了从核聚变反应中产生净正能量，反应释放的能量必须大于诱导反应所需的能量。对于核聚变反应堆来说，这是等离子体中核聚变反应输出能量与维持等离子体所需能量的比率，称为核聚变增益Q，或称为Qfus。
实现Q = 1的条件被称为科学盈亏平衡条件，即能量产生等于能量输入的时刻。对于核聚变反应堆来说，辅助系统功率需求和发电效率低下意味着科学盈亏平衡条件对于商业核聚变反应堆来说是不够的。
相反，必须将核聚变反堆的能量产生与整个核聚变发电厂的总能量消耗进行比较。这被称为工程增益Qeng。同样，实现Qeng = 1的条件被称为“工程盈亏平衡”，实现这些条件是实现核聚变能源的真正目标。
有三种方法可以改善Q值，以更接近核聚变条件。首先，通过增加核聚变反应的速率，同时减少所需的外部加热水平，可以增加Q值。这通过核聚变反应的体积率f来表示，其中n是燃料的密度，<σν>是平均反应率。
由于<σν>与温度T的平方成正比，核聚变反应的体积率f与n2T2成正比，因此当二者同时增加时，将导致Q值增加。核聚变反应的速率取决于等离子体的密度和温度，因此增加温度和密度是增加Q值的两种方法之一。
核聚变反应堆的方法
尽管有几种控制和约束核聚变等离子体的方法，但目前正在探索的两种主要方法是基于磁约束和惯性约束的概念。
磁约束核聚变反应堆是两种方法中更为先进的，它利用由电磁线圈产生的磁场来将核聚变等离子体约束在一个环形容器中。有两种主要类型的环形核聚变装置。托卡马克，如ITER，利用围绕环形容器排列的磁线圈产生环向磁场来约束等离子体，并使用次级极向磁场来驱动等离子体中的电流。
其他托卡马克变种，如球形托卡马克设计，具有较低的外径与内径之比，展现出不同且潜在更好的等离子体性能，但在工程设计上会增加困难。
另一种磁约束概念是恒星器，它在等离子体容器周围以螺旋形配置磁线圈，创建一个螺旋形磁场来驱动电流。托卡马克和恒星器系统之间的差异有所说明。恒星器被认为是一种潜在的长期解决方案，目前正在积极研究恒星器为基础的核聚变反应堆，但与球形托卡马克一样，在工程设计上可能会面临很大挑战。
与磁约束方法不同，惯性约束核聚变方法试图通过外部加热和压缩核聚变燃料目标，以实现所需的更高温度和密度，以启动核聚变反应。对于大多数ICF概念和方法，高功率激光被用于压缩和加热燃料。
最近，第三种方法在最近几年内引起了人们的关注，并受到了许多科学家甚至商业的关注。磁化目标核聚变，有时称为磁化惯性核聚变，旨在利用比MCF方法更高密度的等离子体，但使用比ICF方法中使用的激光功率和其他驱动器更低的功率。
MTF可能提供一种独特的核聚变途径，许多独特概念的加速开发在特别是美国得到了重要的支持，其中美国高级能源研究项目署“ALPHA”计划提供了支持磁化目标核聚变途径的探索。
反应堆发展进展
核聚变反应堆通常通过其实现高等离子体密度n、温度T的能力来评估。因此，核聚变反应堆的发展历史最好看作是在劳森图上提高核聚变增益Q的历史。劳森图显示了核聚变反应堆发展的进展，显示了向劳森判据迈进的过程，其中中央离子温度显示在水平轴上，等离子体密度与能量约束时间的乘积显示在垂直轴上。
自1970年代以来，核聚变反应堆已经稳步改善，逐渐接近科学盈亏平衡条件。然而，当科学界在等待被推迟的ITER项目开始运行时，过去两十年向盈亏平衡的进展停滞不前，因为所有的注意力都集中在确保ITER的成功上，这转移了对其他途径和甚至是其他托卡马克概念的探索的努力、资源和时间。
能源生产
朗肯循环是一种封闭的蒸汽涡轮系统，通过将热源的能量转换为电能来发电。标准朗肯循环遵循四个阶段的过程。水进入一个锅炉，其能量由热源提供，在其中热源中带走的能量足够高，使水蒸气成饱和状态。饱和蒸汽经过蒸汽涡轮，其中它膨胀并将其能量转移给涡轮，形成旋转能量，用于驱动发电机产生电力。
在通过涡轮膨胀后，产生的湿蒸汽进入冷凝器，将其转变回液态。最后，液态水通过泵，将工作流体从低压锅炉返回高压锅炉，循环重复进行。目前，朗肯循环以及朗肯循环的变种，如再热和再生朗肯循环，在煤炭、石油和核裂变发电厂广泛使用。由于核裂变反应堆与核聚变反应堆在产生高级热方面条件相似，未来的核聚变发电厂预计也将采用朗肯循环。
事实上，核聚变产生高级过程热的潜力为未来能源发电技术开辟了许多途径。核聚变用于过程热应用的新颖想法，例如氢气生产、高温海水淡化或生物质气化等，有望促进更大比例的初级能源市场深度脱碳，使核聚变技术能够更好地支持不断增长的全球能源需求。
总结
核聚变一直受到频繁的质疑，长期以来人们一直开玩笑说它“永远还有30年”，指的是自1970年代以来，核聚变科学家一直预测核聚变能源将需要30年时间才能商业化。似乎这种情况一直存在，批评者认为它将永远如此。考虑到这一点，在当前时间做出同样的声明可能会显得不真诚，但预计商业核聚变发电厂将在大约30年后实现。
