聚变发电还有多远？

雷奕安

北京大学物理学院，北京100871

 （本文摘自《科学网》）雷奕安博文

 人类与能源

对于我们这些生活在地球上的卑微生命来说，太阳是一切的源泉。我们崇拜太阳，依赖太阳。它给我们带来光明和温暖，辐照大地滋养万物，给我们带来食物，甚至我们呼吸的氧气。从物理的角度来说，太阳是地球上几乎一切活动的能量之源。这些能量来自于氢到氦的聚变。获取光明，获取温暖，获取能源是人类文明存在和发展的基本要求。人类文明诞生到现在，主要靠火来满足这一要求。从中国的燧人氏到西方的普罗米修斯，他们因为引来了火而被人们称道感激。但是他们引来的火并不是真正的太阳之火，而是化学之火。化学之火催生了人类文明，帮助我们走过石器时代，农业时代，工业时代，一直到现在的信息时代。我们今天的一切，几乎都要化学之火。可是，当人类发展到今天，成为地球上分布最广，生存能力最强的优势种类之后，对化学之火的依赖也深深改变和伤害了地球。从今往后的一两百年内，化学之火的大规模能源将逐渐用尽，可人类还需要生存，需要发展，这就需要找到新的火，新的能源。

新能源包括可再生能源，和不可再生的核能。可再生能源在利用的时候有很多问题。核能虽然不可再生，但是总量巨大，其中聚变核能资源可以供人类以目前的能源消耗速度生活上百亿年。裂变核能因为安全性问题，在聚变核能大规模投入使用之前，是一个不得已的选择。人类要继续生存和发展，一定要掌握聚变核能。

聚变是怎么回事？

对于自然界存在的所有的原子核，中等大小的铁镍等元素是最稳定的，很轻的原子核反应形成重的核，要放出大量能量。同样重的东西，聚变反应放出的能量大约是化学反应的一千万倍。与燃煤相比，一座百万千瓦电厂，一年约需要400万吨煤，产生约1000万吨二氧化碳，但是如果用聚变，假设发电效率相同，只需要不到300公斤氘氚[1]，产生约两百公斤氦。海洋中的氘大概有40万亿吨，氚要靠锂6(约占自然界锂总量的7%)来生产，锂6在地壳中约有30万亿吨。长远来看，聚变可以只用氘做基本燃料，只需要源源不断地从水中把氘提取出来就行。

氘氚反应是最容易实现的聚变反应，单位质量放出的能量差不多是最多的，所以目前寻求的聚变主要是氘氚聚变。氘氚聚变产生一个中子和一个氦原子，其中能量主要以中子的动能形式释放出来。高能中子的能量利用在技术上很困难。氘与氦3聚变反应产生一个氢和一个氦原子，放出的能量比氘氚还要多一点，但是它们反应的难度要大很多，而且氦3在地球上很少，也无法方便地生产[2]。氘氘反应更难，放出的能量也少很多。

关于聚变有三个概念容易混淆。一是聚变，即核聚变反应本身，研究的是能量释放量，反应截面等内容，这方面的研究很早就做得差不多了。二是约束聚变，研究怎么把高温的聚变等离子体约束住，现在说的聚变一般是这个意思，下面会解释为什么聚变需要约束，约束为什么难。三是聚变能源，也就是聚变能利用，主要是发电，这是聚变研究的最终目标。

约束聚变要求将温度为1亿度左右的等离子体维持一段时间，聚变产生能量。由于聚变速度和密度的平方成正比，一种方案是将等离子密度提到非常高，让聚变瞬间完成，这就是惯性约束聚变。另一种方案是将低密度的等离子体维持很长时间，这是磁约束聚变的基本思路。

聚变方案和研究简史

早在1932年，卢瑟福及其合作者就通过氘氘聚变发现了氚和氦3。虽然这一反应放出的能量是反应前粒子能量的很多倍，但卢瑟福本人对利用聚变能量的说法嗤之以鼻。原因是加速很多粒子才能产生一次聚变反应，消耗的能量远大于获得的能量。在这一发现的基础上，1939年德国科学家汉斯·贝特发现了太阳的能量来源，因此获得了1967年诺贝尔物理奖。

40和50年代，随着原子弹研究的成功，1952年美国爆炸了第一个氢弹，实现了聚变能量的释放。那时，核裂变发现的时间也不长，但不仅原子弹成功了，核电站也将很快投入应用。因此大家乐观地相信，可控聚变也应该会很快实现。

1954-58年，第一批磁约束聚变装置投入运行，发现聚变很难实现。1958年，前苏联、美国、英国相继解密可控聚变研究项目，开始寻求国际合作，并在日内瓦召开了和平原子能会议。国际上把这次会议作为可控聚变研究的开始。80年代，一批主力研究装置，如美国的TFTR，DIII-D欧洲的JET，日本的JT-60，法国的Tore Supra等，相继投入使用，磁约束聚变研究取得大量进展。90年代，磁约束装置实现了高聚变输出功率。在这些研究的基础上，前苏联，美国，欧盟和日本开始合作设计大型超导聚变装置ITER (国际热核试验堆，International Thermonuclear Experimental Reactor)。2005年，中、印、韩三国加入ITER计划。ITER成为磁约束聚变研究的主线。

60年代，惯性约束聚变的概念也提出了，但到了70年代激光能量达到一定程度之后，激光聚变的概念才开始走向前台。美国的海军研究实验室(Naval Research Laboratory, NRL)和能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)分别采用氟化氪准分子激光器和钕玻璃固体激光器作为驱动进行了长期的研究。经过20多年理论和实验技术的积累，1997年LLNL开始建造以实现能量增益为目标的大型激光装置——国家点火设施(National Ignition Facility, NIF)。NIF于2009年建成，预计明年能实现能量增益目标。惯性约束还有高强电脉冲驱动方案(Z箍缩)，加速器重粒子驱动方案(Heavy Ion Fusion, HIF)等。

聚变为什么那么难？

聚变需要的条件从能量上来看，只需要10 keV（千电子伏，一个电子经过一千伏特电势差得到的能量），也就是1万电子伏特，与一般高能实验中动则GeV，TeV（十亿电子伏，万亿电子伏）相比，是一个很低的能量。要知道，普通骨干输电线上面的电压都是数十万伏。问题在于，两个氘氚原子核相对能量达到1万电子伏特左右后，虽然可以发生核聚变，但可能性却很小，要碰撞成千上万次才可以聚变一次。聚变一次放出1千7百万电子伏特能量，还不够加速那么多的氘氚原子核。因此，最好加速一次可以碰撞很多次，也就是要把这些一万电子伏特能量的原子核约束起来，保持在一个区域内不停互相碰撞。这就是“磁约束聚变”、“惯性约束聚变”里面“聚变”前面要加“约束”的原因。没有约束的聚变在能量上是亏损的。

1万电子伏特能量对应的温度是1亿多度。这一温度下氘氚是完全电离的，形成等离子体，能量很高，如果不加约束就会以几百公里每秒的速度飞散开。作为比较，高能炸药爆炸只能产生几公里每秒的爆轰波。带电粒子在磁场里面会作回旋运动，所以加磁场可以约束住高温等离子体。惯性约束其实没有约束，只是让聚变燃料同时向心高速运动（内爆），靠燃料的惯性猛烈挤到一起，达到高温高密，在飞散开前，相当部分燃料聚变，释放能量。

一亿度是个非常高的温度。太阳表面只有5500度，太阳核心也只有1500万度。如果太阳表面达到一亿度的话，直径只需要5米就可以辐射出现在那么多的能量，这个球的体积只有太阳的20亿亿亿分之一，比太阳变成中子星后还要小100亿倍。产生和维持这么高的温度都非常困难。磁约束用大约相当于地球磁场强度10万倍的磁场将密度不到空气百万分之一的氘氚等离子体约束在几百立方米的空间内，而惯性约束需要用大约1万亿大气压将几毫克的氘氚压缩到固体密度的1000倍。磁约束目前能在秒量级的时间内将等离子体约束住，时间长的话，等离子体的密度和温度都要很低才行。惯性约束目前只能用一兆焦耳左右的激光能量产生一千焦耳左右的聚变能量。要实现工程能量增益，聚变输出能量必须再提高1百万倍。预计2012年能够实现激光能量增益，也就是比目前提高1000倍左右的聚变能量输出。理论上，提高1000倍能量输出并没有我们想象的那样难，但也需要实验证明。

高的温度意味着很高的内能。很高的内能意味着将出现各种各样的能量丧失机制。两种聚变方式都要解决各种各样的不稳定性问题。磁约束中的不稳定性控制不住的话，等离子会撞上容器，损坏设备。惯性约束中的不稳定性更不好控制，结果是能量无法集中，温度升不到点火温度，但不会产生破坏。各种不稳定性性质和来源都不同。

举个例子，说明不稳定性如何难以控制。我们拿一根小管子一半浸入水中，用手指堵住上面开口，将管子提出水面，如果管子半径小，水能够保持在管子里面。如果用稍微大一点的管子，水还是能留在管内，如果我们不停增大管子半径，如果没有任何扰动，原则上大管子里面的水应该像小管子里面一样，被大气压支持在管内