國際熱核聚變實驗反應堆示意圖

　　據英國《新科學家》雜誌網站報道，目前在法國南部卡達拉捨「國際熱核聚變實驗反應堆」建設工程正在如火如荼地進行著。幾十位來自世界各國的最頂尖核能科學家匯聚法國，組成實力強勁的國際科研團隊，緊鑼密鼓地開展工作，計畫到2018年製造出一個「人造太陽」。

    這一熱核聚變實驗反應堆將會利用氫的兩種重同位素氘和氚來產生大量能源，理論上將為人類提供豐富的清潔能源，不僅會實現碳的零排放，而且產生的輻射性廢物比當前的核裂變反應堆要少許多。

　　一、核聚變能源前景無限

　　核聚變同核裂變不同，核裂變是一個重原子核分裂成幾個輕原子核的過程，核聚變是幾個輕原子核聚合為質量更重的原子核的過程。 目前世界上的核電站都是通過核裂變方式製造電能的，但是核聚變比核裂變能產生更多能量，而且更高效、清潔。最常見的核聚變是由氫的同位素氘和氚聚合成較重的原子核如氦而釋出能量。

　　核聚變有著誘人的前景。地球上蘊藏著豐富的核聚變原料。據測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當於300升汽油燃燒後釋放出的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。如果把自然界中的氘用於聚變反應，釋放的能量足夠人類使用100億年。至於氚，雖然自然界中不存在，但靠中子同鋰作用可以產生，而海水中也含有大量鋰。　

　　其實早在約100年前，世界著名物理學家愛因斯坦就預見到在原子核中蘊藏著巨大的能量。1939年，美國物理學家貝特證實，一個氘原子核和一個氚原子核碰撞，結合成一個氦原子核，並釋放出一個中子和17.6兆電子伏特的能量。這個發現，揭示了太陽「燃燒」的奧秘。　

　　於是，製造一個裝置，通過受控熱核聚變反應獲得無窮盡的新能源，成為全世界許多科學家的夢想。「這就相當於人類為自己製造一個或數個小太陽，源源不斷從核聚變中得到能量。」

　　國際熱核實驗反應堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)計畫也被稱為「人造太陽」計畫，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、俄羅斯和印度等7方共同參與，與國際空間站、歐洲大型強子對撞機、人類基因組計畫一樣，是一個龐大的國際科技合作項目，需要多國科學家合作才能完成。其目的是借助氫同位素在高溫下發生核聚變來獲取豐富的能源。其原理類似太陽發光發熱，即在上億攝氏度的超高溫條件下，利用氘、氚的聚變反應釋放出核能。核聚變燃料氘和氚可以從海水中提取，核聚變反應不產生溫室氣體及核廢料。由於原料取之不盡，不會危害環境，這一計畫的實施結果將決定人類能否迅速地、大規模地使用核聚變能，從而可能影響人類從根本上解決能源問題的進程，因此，意義和影響十分重大。

　　專家認為，在核聚變反應堆裡，氘、氚等原子聚合後，變成更重的原子。這和通過分裂而釋放能量的核裂變截然不同，人們需要進行許多實驗來瞭解有關反應的特性。此外，要在地球上使用受控的核聚變反應堆，就必須把氣體加熱到超過1億攝氏度。這在工程和材料上的挑戰將非常艱巨，據瞭解，要建造這一「人造太陽」，需要成千上萬噸的混凝土和鋼鐵，而且還需要多種罕見的物質，比如鈹、鈮、鈦和鎢，以及低溫液氮和液態氦。當然，最為關鍵的是，還需要大量核燃料。所有這些原料最終將會製造出國際熱核聚變實驗反應堆，從而在熱核聚變領域取得重大突破。

　　二、核聚變難度堪比登天

　　人造太陽的前景如此美好，那麼為什麼我們的電網中還沒有熱核聚變產生的電能呢？

　　儘管熱核聚變實驗反應堆的概念非常簡單，但是實現起來卻是另外一回事。因為原子核在熱核聚變時並不積極，每個原子核都帶有一個正電荷，它們之間互相排斥。因此在常規狀態下讓兩個原子核結合起來幾乎是不可能完成的。只有達到驚人的高溫，原子核才能獲得足夠的能量克服相互間的排斥，成功撞擊，最終實現核聚變。

　　太陽內部也是同樣的場景。在太陽內部，熱量產生自氫原子核的聚變。但是氫原子核只有溫度達到開氏1500萬度才會慢慢開始熱核聚變。太陽內部核燃料的消耗非常緩慢，因此太陽的壽命已經持續了數十億年。

　　然而在核聚變電站，核燃料需要在人類的時間尺度上進行聚變，而不能按照宇宙時間尺度進行。相對來講，氫的重同位素氘、氚比氫更容易燃燒，但是，要想讓氘氚在國際熱核聚變實驗堆內充分燃燒，溫度必須達到天方夜譚般的開氏1億5千萬度。如此高的溫度將會帶來一系列難以克服的工程難題。特別是，如何控制比太陽內核溫度高十倍的電子和原子核高溫離子體。

　　即使最堅固的建築材料都不能承受超過數百開氏度的溫度。因此科學家提出通過磁場給高溫等離子體編織一個「籠子」。ITER採用了若干個小型熱核聚變反應堆所採用的設計方法，在這些實驗中已經實現了核聚變所需的恐怖高溫。

　　據悉，國際熱核聚變實驗反應堆將採用1968年由蘇聯人發明的托卡馬克裝置。托卡馬克又稱環流器，是一個由環形封閉磁場組成的「磁籠」，高溫產生的等離子體就被約束在類似於麵包圈的磁籠中。托卡馬克裝置通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，並實現人類對聚變反應的控制。國際熱核聚變實驗反應堆中的托卡馬克裝置是一個直徑超過12米、容積達837立方米的環形容器，裡面環繞著超導電磁線圈。環形托卡馬克裝置外部的磁體能產生強烈的螺旋型磁場，能夠約束熱核聚變中產生的超高溫等離子體。為了打造這一巨大的磁性籠子，國際熱核聚變實驗反應堆項目需要超過10000噸的鈮合金製成的超導線圈，並且要用低溫液態氦氣來降溫。

　　三、技術難關與解決方案

　　1.超高能量的必要性和危害性

　　聚變燃料在「磁籠」以三種不同方式同時燃燒：電子線路發射電流穿過等離子體、微波加熱以及環形磁場線圈周圍的微粒加速器發射高能原子對其進行轟擊。即使多策並舉，時至今日所有的托卡馬克都沒有產生太多的聚變能。為了獲得更大的突破，國際熱核聚變實驗反應堆將會啟動一部更加巨大、密度更強的等離子環形磁場線圈。假如計畫全部實現的話，則需要多十倍的能量才能激發出等離子。

　　如此高的能量會給國際熱核聚變實驗反應堆帶來威脅，因為「磁籠」並非牢不可破的。活動劇烈的等離子體會發射出X射線，溢出帶電粒子。而且，聚變反應將產生電中性且不受磁力吸引的高能中子。儘管有「磁籠」約束，國際熱核聚變實驗反應堆的等離子體很可能會以每平方米數兆瓦的熱量將外壁炸開，其破壞力將遠遠超過此前的任何托卡馬克或常規核裂變反應堆。

　　2.如何使反應倉堅不可摧

　　解決能量問題的方案貌似簡單：用水冷回路將熱量轉移至熱交換器，最終形成蒸汽。負責ITER反應器內部食物的馬裡奧？梅羅拉說：「顯而易見，這就是我們最希望通過核聚變反應所獲取的東西—提取熱能。」

　　但是，可操作性才是問題的關鍵。反應堆主承重壁，又稱再生區，由440塊半米厚的不銹鋼板組成，並釘進很多高壓水管。這些不銹鋼牆壁將吸收絕大部分的中子，這些中子會使牆壁從內部升溫。水管相距不銹鋼內壁不超過2.5厘米，否則中間的鋼板就會因溫度太高而變軟。

　　直接面對等離子體的內層鋼板則不起作用。射入的等離子體會將鋼板上的金屬原子擊發出並送進反應盒，污染那裡的燃料和降低聚變反應的強度。為此，國際熱核聚變實驗反應堆研究團隊選擇用鈹製成的瓷磚貼在牆壁上。雖然對人體有毒，但鈹卻非常適合抑制等離子破壞。它是一種輕元素，其原子重量非常接近氘和氚的原子重量。所以，儘管部分鈹會從牆壁上爆發出去，也不會撲滅反應堆的火焰。

　　鋼板和鈹板也會被通過的電流和磁場的機械力量擊傷。每塊四噸重的金屬板要承受一百噸的壓力，因此它們必須要牢牢地固定、堅不可摧，哪怕上面有安裝水管的洞孔。「再生倉的設計是整個反應堆中技術最難的部分之一。」梅羅拉說。

　　反應倉的底部也需要高強度的裝甲板，並使用一種稱作「偏濾器」的特殊裝置以保持等離子體的純度。聚變反應的主要副產品是氦核子，如果積累太多的話，將會撲滅反應中的核子烈焰。偏濾器的作用在於過濾掉等離子體的最表層，將其冷卻並吸走，從而移除掉「氦垃圾」和其他雜質。偏濾器表面將非常灼熱，單單是鈹很容易熔化，因此要覆蓋上熔點高達3000開氏溫度的鎢絲和碳纖維。

　　3.克服邊緣局部化模態的破壞力

　　國際熱核聚變實驗反應堆的外壁能夠利用水來降溫，以抵禦等離子線圈發射出的持續熱量。但這還不是反應堆必須要面對的最大問題。托卡馬克內部的等離子體在很多方面都和太陽相似，例如線圈也會突然產生一種稱作「邊緣局部化模態」的劇烈反應。在千分之一秒的瞬間，等離子線圈表面迅速膨脹，爆炸出大量的粒子。「看起來就像太陽耀斑一樣。」國際熱核聚變實驗反應堆研究員阿爾伯托？羅雅特說。

　　「困擾我們的問題在於釋放的粒子不僅數量龐大，而且具有一定的區域性和方向性，可能會產生每平方米數十億瓦特的力量，那將是陽光照射地球功率密度的一百萬倍。」羅雅特解釋道。雖然單個的「邊緣局部化模態」非常短暫，但其放射的能量也足以使表層的鈹、鎢或碳瞬間蒸發。假如「邊緣局部化模態」每秒鐘會出現幾次的話，最堅固的裝甲也會灰飛煙滅。

　　但是，國際熱核聚變實驗反應堆團隊計畫將冰塊投進燃燒的火焰中來解決這個問題。該技術在上個世紀90年代應用於德國慕尼黑附近加興市一個稱作「偏濾器實驗器」的反應堆。與其他的托卡馬克一樣，偏濾器實驗器也需要把燃料放置在在等離子線圈上，為此它安裝了一部氣動噴槍，將冷卻的氘球發射到線圈盒中。

　　偏濾器實驗器的研究者發現，當氘球射到等離子時，會產生邊緣局部化模態一樣的爆發現象，大量的氣體瞬間釋放。因此可以通過確定發射氘球的時間和方向來降低邊緣局部化模態的力度。「你可以選擇連續性地發射氘球，從而使邊緣局部化模態規模變小，並降低爆炸的破壞力。」羅雅特說。

　　當然，這種控制方法也並非完美無缺：邊緣局部化模態最終會穿透反應堆的內壁，因此必須要有另外一層防禦設施。2006年，在位於美國加州聖迭戈通用原子公司的DIII-D托卡馬克試驗中，物理學家發現他們能夠利用反應堆內的一排小磁環來阻止邊緣局部化模態的集中出現。小磁環放置在保護牆的後面，形成微弱的磁場，擾動等離子的表面，在一定程度上阻止了邊緣局部化模態的爆發。「我們還無法從理論上清楚地解釋這種現象。」羅雅特說。

　　上述兩種方法在英國牛津附近的JET聚變反應堆被進一步改進，但最終的試驗將在國際熱核聚變實驗反應堆進行，以驗證它們是否能夠在不釋放太多等離子和影響聚變反應的前提下控制住邊緣局部化模態。

　　4.令人不寒而慄的中子爆炸

　　中子是另一個潛在的威脅。聚變反應堆芯產生的高能中子會整個反應堆溫度升高，破壞它們碰到的任何結晶體，堅硬的金屬也會變得脆弱不堪。反應堆引發的中子爆炸將遠比我們在地球上看到的一切爆炸都更加劇烈—整個反應堆會不會被炸得粉身碎骨呢？

　　梅羅拉深信這種情況不會發生。保護壁會採用奧氏體不銹鋼。這是一種用於家庭餐具上的鋼材，具有高彈性晶體結構，即使在很多原子遭到破壞的情況下仍具有足夠的強度。「奧氏體不銹鋼抗擊打能力是非常強的。」梅羅拉說。

　　核聚變始終是充滿爭議，特別是由於需要源源不斷的巨額投入。單單是國際熱核聚變實驗反應堆就需要100億美元。懷疑論者還指出，核聚變支持者於二十世紀五十年代就提出會開發出取之不盡、用之不竭的清潔能源。但半個多世紀過去了，實現的前景仍然遙遙無期。

　　國際熱核聚變實驗反應堆團隊顯然希望這一天盡快到來。如果他們能夠在反應堆成功取得實質性突破，最終實現核聚變發電的夢想也許真的為期不遠了。