科学家们对核聚变感到兴奋是正确的

最近，核聚变成了新闻。您可能早在二月份就听说过技术上的“突破”，但这到底是怎么回事？为什么科学家们对核聚变如此着迷，这对我们未来几年的发电方式有什么影响？

首先，核聚变到底是什么，它怎么能用来发电呢？您可能听说过使用核裂变原理的核电站。裂变和聚变都基于操作原子核，原子核是原子的致密核心，由质子和中子粒子组成。裂变是一个大原子核分裂成较小的原子核，在这个过程中释放出大量的能量，可以用来发电。具有较大核的元素的例子包括铀，它可以分裂成具有较小核的元素，例如氪和钡。这会产生大量放射性废物，这些废物必须正确和安全地处理。

核聚变与裂变相反；它是将更小的原子核组合成一个更大的原子核，在此过程中释放能量。太阳依靠聚变释放能量，每秒将大约 6.2 亿吨氢聚变形成氦，在此过程中为地球上的生命提供燃料。从理论上讲，复制这个过程应该能够释放出可以用来为我们的生活提供动力的能量，但实际情况要比这稍微复杂一些。

裂变和聚变都需要能量才能开始，所以为了让反应发生并输出能量，你需要得到比投入更多的能量。但这种说法本身没有意义；你可能记得在学校的物理课上你不能“制造”能量；您只能将其从一种形式转移到另一种形式。那么，这里发生了什么？

这可以用一个叫做“质能等效”的原理来解释，它本质上是说每个有质量的物体也有一个内在的能量。这可以用爱因斯坦的著名公式E = mc 2来解释 （其中“E”是能量，“m”是质量，“c2”是光速的平方）。因此，无论你是在处理裂变还是聚变，能量总是守恒的。碰巧的是，在聚变中，一些原子质量被转化为能量并释放出来，这可以用来为发电机提供燃料。

核聚变将是一种理想的能源。它是干净的，因为它不像裂变那样产生放射性废物。释放的能量可以高达裂变的四倍，裂变是目前可用的最有效的发电方式。估计表明，几克原材料可以释放足够的能量，足以让一个发达国家的人维持六十多年。聚变也比裂变安全得多; 但反应发生的条件难以实现，如果不满足条件，反应就会停止。

这一切听起来都很棒——那么为什么融合还没有开始呢？嗯，原因之一是在地球上进行聚变反应非常困难。裂变反应比聚变反应需要的极端条件要少得多。裂变涉及分裂一个大原子核，这与聚变相比相对容易，聚变需要让两个带正电的原子核极端靠近以使它们结合。太阳能够做到这一点，因为它是如此巨大，因此它自身的引力和高温形成了发生聚变的理想环境。地球上的小型核反应堆无法获得这种水平的引力，因此必须制造巨大的压力和温度才能发生聚变。

这就是托卡马克的用武之地。托卡马克是一种使用强大的磁铁将燃料以等离子体形式限制在聚变中的装置，是聚变反应堆的领先设计。欧洲联合圆环 (JET) 是世界上最大、最先进的托卡马克装置，总部位于牛津郡。托卡马克产生的温度非常高，约为1.5 亿摄氏度。这比整个太阳系中的任何其他地方都要热；相比之下，我们太阳的温度就相形见绌了，它最热的时候大约是 1500 万摄氏度。托卡马克中的磁铁约束灼热的热等离子体远离外壁，因为没有材料可以承受这么高的温度。

JET最近因将聚变产生的能量输出比 1997 年创下的纪录翻一番而登上新闻。但反应堆仍然需要比可以利用的能量多得多的能量，但这一新纪录是朝着正确方向迈出的一大步。目前聚变反应堆研究的目标是实现“收支平衡”，即反应堆释放的能量与投入的能量相同。新的聚变反应堆，ITER，正在法国建造，它将比JET大得多。据预测，如果ITER采用与JET相同的条件和原则，不仅可以实现盈亏平衡，而且可以以电能形式释放超过十倍的能量，这对于电力生产的未来将是革命性的。

ITER

核聚变领域的进展非常有希望，但我们距离拥有商业聚变反应堆还有几十年的时间。鉴于当前的气候紧急情况，以及对可持续能源的追求，清洁聚变能源的到来还不够快。如果我们确实达到了核聚变成为主流的程度，那么在不久的将来，我们可以看到自己生活在一个拥有几乎无限电力供应的绿色世界中。