[读懂科学]“能源革命”之梦：人造太阳走到哪一步了？

Published 06 Mar.2023 14:24(KST)

Updated 17 Apr.2023 16:43(KST)

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太阳核聚变在地球上再现：超高温超高压条件实现
韩国 KSTAR 去年因故障未能刷新纪录
升级后力争 2025 年实现 1 亿摄氏度“运行 100 秒”
ITER 计划核聚变链式反应实验成功后于 2050 年代实现商用

“人造太阳”真的能解决人类的能源问题，从而建设可持续发展的地球吗？核聚变虽然在去年年底由美国首次实现了激光点火（ignition·引发连锁反应），但距离真正迈出能源化的第一步还差得很远。外界期待值依然很高，一旦成功，就能提供安全且低价的清洁能源。这也是包括我国在内的七个主要国家，各自出资约1万亿韩元，在2035年前于法国南部建设国际热核聚变实验堆（ITER），并在此过程中展开国际合作与各国间研究竞争的原因。

核聚变能源的原理是什么？

太阳是自身发出光和热的“恒星”。在太阳内部，氢原子核在引力作用下不断碰撞并结合（核聚变）生成氦，在这一过程中，按减少的质量产生相应的光和热，这就是“核聚变能量”。这与现有核电站“核裂变”的原理完全相反：核裂变是铀等重原子与中子碰撞后裂变成较轻的原子，并按减少的质量释放能量。自20世纪50年代以来，人类一直在研究如何在地球上人工制造类似的核聚变反应并将其能源化。在地球上，需要模拟太阳环境的超高温、超高压条件，因为在一般环境下，原子之间只会相互排斥，根本无法结合。

核聚变的燃料——氘可以从海水中获得，氚则可在聚变堆内部通过让中子撞击锂来生产。发电过程中只会产生一部分中、低水平放射性废物。只要关闭等离子体产生装置，随时可以停止反应，几乎不可能发生类似核电站事故的情况，因此被视为安全、低价的清洁能源。

托卡马克 vs 激光

为了在地球上强制发生这样的核聚变，需要超高温、超高压环境。首先被重点研究的是托卡马克（Tokamak）方式，目前距离实用化最近。ITER和KSTAR都采用托卡马克方式。其原理是利用强大的超导磁体形成一个环形甜甜圈状真空容器，通过旋转磁场把温度在摄氏1亿度以上、能够维持核聚变反应的超高温等离子体约束在其中。这一方式由前苏联在20世纪50年代开发，目前研究最为广泛。激光方式则主要在美国和部分欧洲国家开展研究。其做法是在一颗小金属球内装入氘和氚，从四面八方发射强度均匀的超强激光，瞬间在内部形成超高温、超高压环境，强制使氢原子核发生聚变。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在去年12月宣布实现了Q＞1，即产能大于输入能量，实现“点火”的就是这种方式，其原理与氢弹相同。

对于两种方式孰优孰劣，科学家们都十分谨慎。激光核聚变虽然率先实现点火，证明了能源化的理论原理，但在实际中，产能与输入电力的比率却低得离谱，技术难度极高且成本巨大。相反，托卡马克方式的技术难度在目前的通用技术条件下完全有可能实现。虽然尚未成功实现点火和连锁反应，但主要问题在于规模。预计2035年ITER建成后，将能立刻实现至少5～10 Q。韩国核聚变能源研究院（KFE）副院长 Yoon Siwon 表示：“要将其开发为能源，最重要的是通过一次点火就能持续维持反应的稳定性。”

另一方面，KSTAR由于无法屏蔽中子，因此并不用于研究核聚变连锁反应，而是用于摄氏1亿度等离子体维持和控制等一类应用技术研究。ITER则配备了中子屏蔽装置，可以正式开展为核聚变连锁反应及能源化服务的包层（blanket）技术等研究。

摄氏1亿度之谜

核聚变发生所需的摄氏1亿度，是一个难以想象的温度。如何产生、又如何控制？可以联想到微波炉。首先将托卡马克内部抽成真空，再启动超导磁体形成甜甜圈状磁场，在其中注入氘和氚，并施加电场。这样一来，注入的气体与被加速的电子碰撞，就会变成等离子体，其原理与微波炉利用微波加热食物类似。以KSTAR为例，采用了两台可产生6兆瓦级电磁波的加热装置，并使用超导磁体消除了自身发热。这正是我国自2008年KSTAR投入运行以来，能够在2021年创下维持摄氏1亿度以上超高温等离子体30秒以上纪录的秘诀。对于“摄氏1亿度的高温，聚变堆如何承受”这一疑问，答案在于：超高温等离子体被磁场悬浮在空中，不会直接接触并影响聚变堆内壁表面。即便如此，内部温度仍高达数千度，因此还配置了名为“偏滤器”（divertor）的耐热装置。温度测量则通过测定等离子体的颜色来计算。

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去年为何未能刷新纪录？

自2018年以来，我国每年都刷新超高温等离子体维持时间的世界纪录，2021年突破了30秒。专家认为，只要实现300秒，就有望掌握“人造太阳”的运行和管理技术。原本预计去年可以达成50秒，但迟迟没有消息。事后才了解到，去年因加热设备故障而停机检修了3个月。KFE在上月22日向媒体公开了这一情况，并表示今后若再发生故障，将改进为可在1周内完成检修。此外，KFE还表示，将力争在今年内实现50秒、在2025年内实现100秒的目标。

为升级 KSTAR 而开发的钨偏滤器样品。KFE供图

焕然一新的KSTAR

为此，KFE近期将原有的碳材料偏滤器（耐热部件）升级为钨材料。钨的熔点在现有材料中最高，达到摄氏3422度，有望大幅提升聚变堆的寿命和性能。此外，还计划在聚变堆中追加安装一套向内部发射粒子束的6兆瓦级电磁波发生装置。与此同时，KFE近期还利用投入75亿韩元购置的超级计算机，构建了虚拟聚变堆和模拟系统。该系统可以在运行中实时显示聚变堆内部的异常情况，并通过虚拟运行提前进行实验演练。KFE相关负责人表示：“我们利用自有人员开发了适用于超级计算机的程序，今后将对稳定扩大实验规模的研发工作提供巨大帮助。”

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。