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核聚變是怎么回事？

自核聚變技術(shù)1930年代誕生以來，該行業(yè)的口號似乎一直是“三十年內(nèi)，我們有望建成可產(chǎn)出能源的核聚變反應(yīng)堆”。早在1940年代，科學(xué)家們就開始試驗聚變反應(yīng)堆。雖然它們長期以來一直能夠產(chǎn)生聚變反應(yīng)，但直到現(xiàn)在，這些反應(yīng)總是需要輸入超過它們最終所產(chǎn)生的能量。

核聚變，是指將兩個較輕的原子核結(jié)合，形成其他的核子；不過，一般來說“產(chǎn)生新原子”不是目的。該過程中，新生核子質(zhì)量不及原來核子質(zhì)量，質(zhì)量沒有守恒，多出的質(zhì)量被轉(zhuǎn)換為光子能量；產(chǎn)出的能量根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能守恒方程“E=Mc^2（能量=質(zhì)量x光速^2）”。科學(xué)家希望利用這一過程產(chǎn)出的能量。

質(zhì)量最輕的核子分別是氫和氦，這兩個元素在核聚變中最常見。太陽就是通過不斷地將氫原子變成氦原子而持續(xù)釋放熱量，在其生命接近尾聲時也將開始“燃燒”氦原子，因此核聚變也有時被稱為“人造太陽”技術(shù)。

氘氚聚變反應(yīng)（圖源：IAEA）

不過，宇宙中最常見的氫同位素（同一原子不同的同位素，區(qū)別在于其中子數(shù)量，不過由于同位素之間質(zhì)子數(shù)量一樣，除了重量差異，日常化學(xué)反應(yīng)上沒有區(qū)別）是“氕”（即一個質(zhì)子，占?xì)淇偭?gt;99%），而氕需要100億度左右的溫度，才能突破兩個質(zhì)子（都是+1e電荷，正正相斥）之間的靜電能量壁壘，從而結(jié)合。太陽中心“只有”1500萬度，一度被認(rèn)為無法實現(xiàn)核聚變，不過科學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子可以偶爾經(jīng)由波函數(shù)的隧道，穿過這一障礙。即便如此，太陽每年也只能聚變其0.000000000001%的燃料，太陽的熱量主要還是源于其巨大的基數(shù)。

而人類顯然無法創(chuàng)造太陽這么大的反應(yīng)堆基數(shù)。更大的問題是，太陽內(nèi)的氕原子因太陽巨大的引力，很難自己“逃跑”，因此太陽可以維持自己當(dāng)前的溫度和壓力（高達(dá)2000億大氣壓），“耐心等待”氕原子偶然發(fā)生聚變。人類要想在“又冷又松散”的地球上復(fù)制太陽核心的條件已經(jīng)夠難了，更不可能“耐心等待”原子偶然發(fā)生聚變。

幸運的是，人類可以采取其他反應(yīng)實現(xiàn)核聚變。氫的同位素除了最常見的氕，還有氘（1質(zhì)子+1中子）和氚（1質(zhì)子+2中子）。中子的存在，加大了核子之間強核力的作用；質(zhì)子既有互相吸引的強核力，也有互相排斥的電磁力，而沒有電荷的中子，與質(zhì)子和自己之間只有同等強度的強核力，不存在排斥力。氘氚之間的聚變反應(yīng)，“只需要”1500萬度，“連太陽都能正常實現(xiàn)”，反應(yīng)產(chǎn)出一個氦-4核子和一個中子。

NIF就是采用了氘氚聚變路線。為了至少短時間內(nèi)實現(xiàn)核聚變，NIF使用全世界最強的激光，通過192個射線，在幾納秒內(nèi)輸送5萬億瓦功率的光能。激光的“靶子”，是一個名叫“環(huán)空器”的空腔，中間包含氘氚燃料。激光輸入的能量，使燃料溫度達(dá)1億度，核聚變反應(yīng)“點火”，從而產(chǎn)生能量，故名“國家點火裝置”。這一技術(shù)路線稱為“慣性約束聚變”。

NIF慣性約束聚變（圖源：《金融時報》）

該反應(yīng)要求環(huán)空器內(nèi)壁和燃料小球形態(tài)完全對稱，使得燃料小球得以均衡接受能量，連微米級別的缺陷都不允許，否則在不對稱加熱情況下，激光帶來的能量可能從小球的一側(cè)往外釋放，無法使氘氚燃料內(nèi)爆至核聚變發(fā)生。

據(jù)勞倫斯利弗莫爾國家實驗室介紹，NIF通過測量產(chǎn)出的中子數(shù)量，倒推出發(fā)生的氘氚反應(yīng)數(shù)量，從而得出能量產(chǎn)出額。

隨著人類高端制造愈發(fā)精細(xì)化，制作愈發(fā)完美的環(huán)空器和燃料小球，“慣性約束聚變”下的核聚變效率得以不斷提升。據(jù)《科學(xué)美國人》1974年的估算，“慣性約束聚變”理論上可實現(xiàn)輸入140萬焦耳，得出3000萬焦耳，Q>20。