能源结构大变局真的要到来吗？翡翠艺品

能源结构大变局真的要到来吗？

2014年10月15日，美国洛克希德•马丁公司宣布，该公司已经秘密设计出一个紧凑型核聚变反应堆，1年内将进行试验，5年内将制造出反应堆模型，市场化大约需要10年时间。这意味着世界能源结构将发生革命性的变化，人类将告别能源紧缺的时代！

核裂变与核聚变

时间拉回到75年前的1939年，第二次世界大战刚刚爆发，一封由三位逃难到美国的匈牙利科学家起草、爱因斯坦参与签名的呼吁信送到了美国总统罗斯福的桌子上，强烈建议美国马上开始原子弹的研制工作，以防止纳粹德国抢先获得这种毁灭性的武器。

其结果是美国研制原子弹的曼哈顿计划启动，并于1945年成功爆炸了第一颗原子弹。这封呼吁信中有一句耐人寻味的话：这是历史上人类将第一次利铝箔纸用并不是来自太阳的能量。

这意思是，在核能发明之前，人类能利用的所有能源，风能、水能、石油、煤炭炭燃料等，归根到底都源自太阳能。而核能则是由地球自身的物质，按照爱因斯坦的质能转换式(E=mc2)转化而来。

在核能利用中，核材料耗损掉的每一克质量(m)，都会转化为这个质量与光速平方乘积(mc2)的能量(E)。这是一个天文数字般巨大的能量！

核能产生有两种形式。第一种是核裂变，即一个大的原子裂变为几个小的原子，裂变过程大约会有千分之一的质量转换为能量。1945年爆炸的首颗原子弹就是这种方式；第二种是核聚变，过程恰好相反，是几个小的原子聚合为一个大的原子。核聚变的质量耗损率比核裂变高出数倍，因此威力也大得多。1954年，美国在比基尼岛试爆成功的第一颗氢弹就属于这种类型。

提升设备

无论原子弹还是氢弹，都是瞬间产生的巨大能量，是一种只能应用于战争的破坏性的能量。核能的和平利用，关键在于核反应的可控性，即让核能的释放在人工控制下长期持续地进行。核裂变的可控性在曼哈顿计划时代就已经解决。1954年，苏联就建成了第一个核电站。到目前，世界核能发电大约占到总电量的五分之一。

但是核裂变利用有几个弊病。首先核原料(如铀235)是地球上的稀有元素，资源极其有限；其次核裂变后产生的物质是放射性元素，核废料的处理是个很头疼的问题；再就是可能产生核泄漏，是为不安全。苏联切尔诺贝利核电站和日本福岛核电站的泄漏事件就是惨痛的教训。因此不少国家现在已经进入限制和缩减核电站的程序。

核聚变就没有这些问题。地球上蕴藏的核聚变原料远比核裂变原料丰富得多。作为核聚变原料的氢的同位素氘，每升海水中就含有0.03克，所以仅在海水中就有45万亿吨氘。而1克氘聚变的能量就可以发10万度电。

相对人类的需要，核聚变真可谓取之不尽、用之不竭。另外核聚变是氢同位素聚合为氦，前前后后都是无害元素，没有核废料和核泄漏问题，所以既干净又安全。

核聚变的可控性

如此好事，为何在第一颗氢弹爆发以后整整60年还没有和平利用呢？还是可控性问题。

核聚变的原理：4个核子(质子和中子)聚合为1个由2个质子和2个中子组成的氦原子核。聚变过程大约会发生千分之几的质量耗损，这个耗损的质量就转化为核聚变的能量。核聚变在氢同位素氘和氚之间发生。氘的原子核由1个质子和1个中子组成，氚由1个质子和2个中子组成。聚变后多余的中子使灌进反应堆的锂裂变产生氚。所以核聚变只需要以氘为原料，而氚可以在核反应过程中产生。

要实现核聚变，第一步要打破核原料原子中原子核和电子的紧密联盟，使它们都变成相互脱离的裸原子核(带正电)和自由电子(带负电)，即所谓等离子体；第二步，裸原子核要有足够的动能，以克服它们之间的静电斥力，达到核强力(把核子聚合在一起的吸引力)能发生作用绥芬河的极小的间距，从而聚合为一个新的原子核。

要完成这么一个两步曲，就需要一个高达上亿摄氏度的临界温度。氢弹轰的一声没有问题，但用来发电，就必须有持续的高温，让核聚变自持式地连续发生。最直接的想法，就是要有一个反应锅把高温约束在一个有限的空间内，长期维持核聚变所需要的临界温度条件。问题是，我们根本找不到什么材料来制造出这个能耐上亿摄氏度高温而不熔化的容器。

也不是完全没有办法。想想人家太阳，就是一胶合板个巨大的核聚变反应堆。几十亿年下来，它也没有一口能耐高温的反应锅，靠的是强大的万有引力把高温介质凝聚在一起。然而太阳的质量是地球的33万倍，我们根本不可能复制出类似于太阳那么强大的万有引力。

好在物体不仅跟万有引力发生作用，还跟电磁力发生作用。通过一个强大的磁场，也可以把高温等离子体约束在一个有限的空间内，像磁铁把铁屑吸引在一块一样。这就类似于太阳的引力凝聚，构成一个无形的反应锅。于是就不需要通过耐高温材料来限制核反应的范围，而是靠电磁力来约束核聚变的空间，就叫做磁力约束。

在一个磁力约束的反应堆里，通过原料泵不断地输入氘和氚混合的等离子气，同时及时排出核反应的产物氦和其他一些物质，核聚变就可以持续不断地进行。聚变产生的热量加热冷却剂，用以推动涡轮发电机。

再一个问题就是，如何产生核聚变的初始高温。氢弹实际上是两弹合一。首先爆炸氢弹内的一颗裂变原子弹，产生高温，从而引爆真正的氢弹。连接件民用核聚变显然不能采用这种方式。不过办法总比问题多。科学家设计出激光引爆的方式，用几束高强激光照射在同一点上，制造局部瞬间的高温，引发初始的聚变反应。之后就靠聚变反应产生的高温维持链式反应。

原理是可行的，但实际应用和商业化还要解决两个问题：一是小型化；二是经济性。洛克希德•马丁公司宣称，他们的反应堆可以让高温等离子体自己产生磁约束力，从而大大缩小反应空间，所以这个反应堆比现有的实验型聚变反应堆的体积缩小了10倍，大约只有2米长1米高。不仅可以安装在舰艇上，甚至可以安装在大型货车上。而其发电成本大致只相当于一个煤炭发电厂，完全具有商业价值。

可以想象，只要有一个核聚变反应堆能实际应用，凭着人类无限的创造力，小型化和经济性还会有极大的发展空间。想一想30年前一台装满一个大房间的穿孔式电子计算机，其内存和运算速度可能还不及现在一个小小的计算器。而且以前只能集团购买，现在一个小学生的口袋里都可以揣着一个。

人类现在的主要能源石油和煤炭，按现在的发掘度，大概都只有以百年计的存量。一旦核聚变成为人类的能源消费方式，能源危机将成为历史遗迹。而且几乎是零温室气体和零放射性废料排放，会天更蓝、云更白、地更绿。

不过科学界对这一消息还是持谨慎乐观态度。因为洛克希德•马丁公司的试验一直是秘密进行的，宣称的200次点火试验，也从未公布数据。甚至有科学家断言，目前还只是纸上谈兵阶段，到商业化的路途还十分遥远。但不管怎么样，我们热切地期待着奇迹发生，希望最好的结果出现。这大概可以成为人类共同的世界梦吧？

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