核聚变本世纪将迎来“巨变”？

2017/3/9 10:17:22

2016年12月12日，我国自主研制的热核聚变核心部件，率先通过了国际权威机构认证，为国际热核聚变项目立了一大功，并成为新华社权威媒体评选的2016年度十大能源新闻之一。同时，我国可控核聚变试验也制造出了比太阳中心温度还要高的氢等离子体，并且稳定燃烧了一分多钟，创了世界纪录。从人类走进核能大门以来，可控核聚变一直被很多科学家视为能源界一项登峰造极的“神功大法”。这门“武功”究竟有多厉害？目前人类修炼了几成？且听笔者一一道来。

核聚变：能源界的绝世武学

1932年，英国物理学家詹姆斯˙查德威克开启了原子核的大门，人类开始逐渐认识到原子惊世骇俗的“内功”，并想方设法把它据为己用。原子核的这股巨力可以通过两种方式来释放，一种是铀、钚等重原子核分裂成几个轻原子核的裂变反应，另一种是几个轻原子核聚合成一个重原子核的聚变反应。1945年，美国送给日本的“小男孩”和“胖子”，让世人领教了核裂变惊世骇俗的爆发力和绵延许久的余威。此后，英、法、中等国也不甘示弱，陆续用原子弹试爆宣示自己也掌握了这门武功。

然而这些国家也发现，如此神功只用来打杀未免有点儿low（低端），而且没什么前（钱）途。于是，各国纷纷走上了和平利用核能之路。1954年6月27日，前苏联建成了世界上第一座基于裂变原理的核电站，率先实现了可控核裂变，成功把刚烈“炸药”变成了温和“燃料”。60多年后的今天，全球已经有400多台核裂变反应堆在商用电网系统服役，每年为全球贡献10%左右的电力。

同核裂变一样，核聚变在世界舞台上的第一次亮相也是伴随着强光和巨响：1952年，美国人率先搞出了以氢元素的同位素三兄弟氕（piē）氘（dāo）氚（chuān）中的氘和氚为原料的氢弹，威力比核裂变又高出好几层楼，迈出了人类修炼聚变神功的第一步。之所以称为“神功”，是因为核聚变一旦像裂变一样实现商用发电，将是颠覆世界的革命性成功，人类在能源利用上很可能再也不用精打细算了。它有这么几大好处。

不产生放射性废物

好处一：高能。论核武器的威力，以铀、钚等重元素为原料的裂变弹，通常为几百至几万吨级TNT炸药当量，而聚变弹则可大至几千万吨级TNT当量；论能量密度，当今裂变原理核电站主流堆型——轻水式反应堆所用的浓缩铀（铀-235含量为3.5%），每公斤所含的能量为345.6万兆焦（1兆焦=1000千焦=100万焦），相当于标准煤的118倍，而氢元素聚变反应的能量密度甩下浓缩铀几百条街，高达每公斤9.45亿兆焦，相当于只用不到4克氢的聚变，就能达到1公斤浓缩铀裂变放出的能量。

好处二：清洁。核裂变所用的铀-235，反应后会分裂成碘-131、铯-137、锶-90、氙-133、氪-88等核素，这些裂变产物仍然具有放射性，不能随便乱扔，人们因此为它们准备了周密的防护和处理制度（详见《环境与生活》杂志《处理好的核废物辐射小于X光》《中国核燃料循环执行“闭计划”》等文），来保障人员和环境不受电离辐射所伤。而聚变采用的氢元素三兄弟都是自然界最小的原子，唯一的聚变产物是第二小的原子氦。虽然反应过程中伴随能量输出而带来中子辐射，但聚变产物氦是完全没有放射性和其他毒性的稳定核素，自身安全性很高，没有必须深埋上万年的高放射性废物。此外，氦的化学性质非常慵懒，正常环境下不和任何物质起反应，只会以无色无味的气体形式存在。平时看到那些往上飘的气球，就是用氦气充的。

好处三：原料多。修炼聚变神功所需要的主材料氘，储量只有氢的1/7000，换算到每一升海水中约含有30毫克氘。比例虽小，但总量惊人。海水中所含的氘达45万亿吨，足够人类使用上百亿年。而且，一升海水所含的氘聚变后就可产生相当于300升汽油的热能。用一句话来形容就是廉价、丰富、好提取。至少到目前，氘都被看作取之不尽用之不竭的原料。