對于人類來說，隨著礦物燃料的日漸枯竭，如何利用核能成了一個“想說愛你不容易”的棘手問題。其實，在利用核能的領(lǐng)域，核裂變反應(yīng)還有一個孿生兄弟，那就是核聚變反應(yīng)。近日，美國一個名為“國家點火裝置”的核聚變實驗裝置實現(xiàn)了“核聚變過程中釋放能量大于消耗能量”，這在核聚變的研究方面是一個重要的成果，同時也讓人們可以放眼展望更加清潔、高效、安全的核能應(yīng)用新紀元。

核聚變反應(yīng)原理簡單實現(xiàn)很難

既然核聚變是核能應(yīng)用領(lǐng)域的未來，我們就要知道什么是核聚變，它同核裂變有怎樣的關(guān)系。合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所的張振博士對本報記者解釋說：“核裂變反應(yīng)是通過物理反應(yīng)令核燃料的原子核(重核)發(fā)生分裂，形成兩個新的原子核(輕核)，而核聚變則是反其道而行之，是由兩個輕核(分別是氫原子和氘原子)融合到一起形成一個重核(氦原子)，并在融合的過程中放出能量。”

雖然聽上去簡單，但是在實際操作中，核聚變的難度是相當大的。張振介紹了核聚變反應(yīng)的三個重要條件：“我們用打火機點燃某物，需要達到燃點物品才能被點燃。進行核聚變也需要達到臨界點才會發(fā)生。首先是溫度，前面提到的美國這個核聚變實驗裝置中，他們用上百條激光對靶丸進行加溫來獲得核聚變所需要的高溫和高壓;其次是反應(yīng)器中反應(yīng)物的密度，因為原子發(fā)生融合反應(yīng)是一個小概率事件，所以想進行核聚變反應(yīng)，需要在反應(yīng)器中注入高密度的反應(yīng)物，并約束在一個較小的體積內(nèi)，這樣才有可能發(fā)生融合反應(yīng);最后，如果反應(yīng)器中的氫原子核和氘原子核只是簡單地碰撞還不足以完成融合反應(yīng)，需要克服原子核之間的電磁力，當原子核之間的距離小到它們之間相互吸引的核力大于相互排斥的電磁力時，才能產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。”

此外，如何為反應(yīng)物氫原子和氘原子提供一個安全的“約會”地點也非常重要。“因為核聚變反應(yīng)所需要的溫度相當高，在現(xiàn)實中沒有任何物質(zhì)能夠承受融合反應(yīng)發(fā)生時上億度的高溫。目前可控核聚變主要有兩種方式，一種是慣性約束核聚變，一種是磁約束核聚變。我們在EAST(東方超環(huán))核聚變實驗中使用的是后者，利用磁場來約束超高溫的反應(yīng)物，讓它在環(huán)形的反應(yīng)容器內(nèi)部運動而不會接觸反應(yīng)容器。”

未來能源的新希望

“現(xiàn)在核聚變反應(yīng)所面臨的最大問題在于能源的成本問題。目前"東方超環(huán)"項目等離子體存在時間能夠達到1000秒左右，不過這1000秒的反應(yīng)時間中所產(chǎn)生的能量還不足以抵消試驗中所消耗的能源成本。如果核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能源還不如消耗的能源多，那么它在實際生活中的應(yīng)用仍很遙遠。”張振介紹說，此次美國的核聚變實驗結(jié)果之所以被學界廣泛關(guān)注，正是因為這意味著核聚變反應(yīng)已經(jīng)朝著實用化邁出了第一步。

“同核裂變相比，核聚變的優(yōu)勢首先在于同質(zhì)量的核原料所釋放的能量是核裂變所不能比擬的;其次在核燃料的取得上，氫、氘這兩種物質(zhì)的獲取和加工也比放射性的鈾和钚容易得多;最后，核聚變反應(yīng)后產(chǎn)生的核廢料經(jīng)過無害化處理后基本上對人類和大自然不會帶來負面影響，這也大大優(yōu)于核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的高放射性核廢料。因此不管怎么看，核聚變反應(yīng)都將是未來人類能源領(lǐng)域的發(fā)展方向。”

據(jù)張振介紹，目前，由多個國家共同開發(fā)的ITER(國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆)項目組已經(jīng)大膽地預(yù)測，在2040年前后，熱核反應(yīng)將會在能源領(lǐng)域投入商業(yè)運營。到那時，以核聚變?yōu)楹诵牡暮穗娬緦�會為人們的生產(chǎn)、生活提供能源支持。而在未來，隨著研究的深入和科技的進步，核聚變反應(yīng)堆也會小型化，代替內(nèi)燃機成為各種交通工具的動力源。