核聚變發電進展

一、美國核聚變最新進展 

   美國能源部12月13日宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)實現了歷史上第一次可控核聚變實驗，且該反應產生的能量超過所消耗的能量具有實質提供能量的意義。該實驗投入205萬焦耳能量，產出315萬焦耳能量，但只有當產出能量為輸入能量10倍時才有商業價值，此次實驗進展讓核聚變發電距離實現更近一步。美國科學家稱他們的巨型激光已產生核聚變，十層樓高的NIF 設施是世界上最強大的激光系統，它將192束光束瞄準一個由黃金和貧鈾製成的微型圓柱體。圓柱體內部的鑽石膠囊充滿了氫的兩種同位素，它們可以融合在一起釋放出驚人的能量。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任布迪爾稱要實現商業核聚變發電，還需要做許多努力。美國能源部核聚變進展消息發布時，美國總統拜登正致力於發展清潔發電，並且特別強調了核聚變。太空中只有太陽能及核能可使用，而太陽的能量也是來自於核聚變反應，愛因斯坦的相對論提出物質質量的減少可轉換成能量，在物理上，核分裂或核融合都會放出巨大的能量，核能的應用需要循序漸進，一般分為核分裂、快滋生及核融合三步驟。所謂人造太陽就是以超導體磁場約束離子，通過能波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發生核聚變的裝置，就像太陽一樣能為人類提供源源不斷的能量。核聚變產生方式目前主要有二種:(1)慣性約束核聚變:用激光照射含有微量氘氚元素的直徑數毫米小球，使球溫度升高至數億度，內部氣體變成高溫等離子態。在反沖作用力下元素被壓縮到極高密度後產生熱核聚變(2)磁約束核聚變:在一個封閉環境內將氣體加熱到數億度讓原子核發生聚變反應。沒有任何材料可製造成容器壁來容納數億度的高溫，需製造一個強磁場讓超高溫等離子被約束在一定空間內環繞磁場高速運轉。 

   托卡馬克裝置是一種核融合反應器，托卡馬克裝置是一個環狀甜甜圈，在其中極高溫的電漿被磁場約束和加壓，以進行核融合反應。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃於2006年誕生，除ITER外，世界各先進國家都有各自長期的核融合計劃，中國的“人造太陽”裝置東方超環EAST 是中國自主設計建造的核聚變實驗裝，氘是氫的一個穩定同位素，豐度為0.0156%，可以直接從水里通過分解等常規工業手段提取。氚是具放射性的氫同位素，半衰年為12.43年，因此需要人為“現用現造”；一般生產途徑是用中子撞擊鋰的兩個主要同位素（鋰-6和鋰-7）。核聚變反應最容易實現的 D-T（氘-氚）反應及 D-D（氘-氘）反應的產物中都有中子輻射，而氦-3可以與氫的同位素氘進行核聚變反應，與一般的核聚變反應不同，氦-3在核聚變的整個過程中不產生中子，它放射性非常小，而且整個反應非常易於控制。以氦-3為代表的第三代核聚變材料是一種安全，清潔，並且非常可靠的新能源。月球土壤長期接受太陽的照射，含有大量太陽風粒子直接注入的同位素，其中就含豐富的氦-3。據估算，月壤中氦-3的資源總量可達100萬~500萬噸。氦-3是核聚變發電的燃料，據專家計算，如果採用氘和氚進行核聚變反應發電，全世界一年有100噸氚就夠了。託卡馬克技術，除了多國獨自運行的反應堆實驗裝置，還有35國共同參與的“國際熱核聚變實驗反應堆”（ITER）。ITER早在1988年啟動，但是施工過程持續延遲，至今未完成。 

二、中國核聚變的進展

    今年10月19日，中國的中核集團科研團隊也再傳出核聚變研究佳績，中國新一代“人造太陽”科學研究取得突破性進展，HL-2M等離子體電流突破100萬安培，創造了中國可控核聚變裝置運行新記錄，標誌著中國核聚變研發距離聚變點火邁進了重要一步，技術水平居國際前列。核聚變能產生無限的清潔能源相當於人造太陽，核聚變如果成功可改變人類文明歷史，而中國的雄心似乎越來越接近現實，中國工程物理研究院彭先覺院士預測中國將在未來六年內實現核聚變發電。南華早報報導彭院士稱“聚變點火是當今世界科技皇冠上的一顆明珠。”，成為世界上第一個實現能量規模聚變能量釋放的人，將為人類聚變能源之路奠定里程碑。歐亞時報稱韓國宣布首次成功維持核聚變反應在超過1億攝氏度下工作 30 秒。2021年5月28日，中國科學院合肥物質科學研究院有人造太陽之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）取得新突破，成功實現可重複的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行新的世界紀錄，向核聚變能源應用邁出重要一步。中國目前還保持著使用“人造太陽”在略低的 7000 萬攝氏度的溫度下持續超過 17 分鐘的反應的記錄。

   中國發電廠將依靠 Z 型捏合機，該機使用強電脈衝來模擬熱核彈的聚變反應。該機器預計將於 2025 年在四川省省會成都完工。該機器將產生5000萬安培的電力。這個數字大約是美國桑迪亞國家實驗室Z 脈衝電源設備的兩倍。Z機器的電脈衝產生強大的磁場，可以壓碎核燃料管。這些機器通常用於生產原子武器，直到最近它們才被認為是核聚變能的可能途徑。在過去的三十年裡，包括美國、俄羅斯和中國在內的核大國已經製造了幾台 Z 型捏合機，這些設施可以存儲大量電力並在奈米秒內釋放。電脈衝可以產生足夠的壓力和輻射，讓兩個輕原子融合成一個更重的原子，並以能量的形式放棄一些質量。然而，製造一台能夠產生比輸入更多的聚變能輸出的機器是很困難的，迄今為止還沒有一個國家能夠成功。

三、中國可能領先核融合發電

   彭院士稱中國科學家將嘗試使用適量的氫同位素氘和氚來引發核聚變反應。他們打算精確調節程序，將釋放的脈衝能量限制在幾億焦耳，或與一袋 20公TNT炸藥相同強度。與早期的設計相比，中國設施的聚變能量不會用於為電網供電，而是用於製造快速粒子沼澤，這些粒子將撞擊鈾，而鈾是該設施裂變部件的燃料。根據彭院士介紹，這種聚變和裂變反應堆的組合導致了中國使用Z-FFR 的設計指定。所謂Z-FFR 就是Z箍縮驅動聚變-裂變混合能源堆，是利用Z箍縮產生的大量高能中子驅動次臨界裂變堆而釋放能量,產生的離子能量將在小於數個毫秒的時間尺度內沉積在靶室內部。聚變靶室內能量沉積在第一壁表面將帶來材料表面的燒蝕等熱學效應,以及熱激波和熱應力等力學效應進而可能產生屈服、斷裂、層裂等材料和結構響應。這個想法是用鈾填充聚變點火室的牆壁，這將吸收爆炸產生的任何飛行粒子並將它們分成兩個更輕的元素，這一過程類似於今天在核電站中使用的過程。根據彭先覺團隊的估計，鈾裂變將使該設施的整體熱量輸出提高10到20倍。這將大大加快聚變能的使用，並為到2035年的商業發電做好準備。中國科學家聲稱使用與西方不同的技術，認為其方法更有效。 儘管如此，仍然存在許多障礙，例如設計可以支持該過程的專用組件。如果成功，它可能會滿足數万年的能源需求。彭先覺設計了一些中國最先進的小型核彈頭，並擔任核武器計劃的高級顧問。彭院士表示一種包含聚變和裂變反應堆結構的混合堆可以相對降低這個難度，Z-FFR聚變堆的中心聚變需求功率比較低，易於實現，用聚變為裂變提供中子增值，聚變只佔整個反應堆能量的5%，裂變佔95%，這個混合堆可以使用核廢料作為原料，將會率先實現聚變應用。  

    中國在彭先覺院士帶領下已領跑世界的核聚變發電發展，BBC記者麥笛文到安徽參訪中國的核聚變研究中心，在安徽省合肥市西郊的「科學島」上有一座閃閃發亮的巨型圓圈，被裝在一個約等同於兩座樓高的大型圓盒中，這是全超導托卡馬克核聚變實驗裝置簡稱EAST。在裝置中，氫原子融合成氦，氦能夠聚集比太陽核心高出數倍的熱能。反應由強大的電池控制。如果維持得當，一天能產生大量的電。世界上許多國家都致力掌握核聚變技術，但沒有一個團隊能像安徽的團隊一樣保持核聚變的穩定性。現在它是100秒，每年越變越長。在安徽，科學家們已經開始討論將目標放在延長十倍的時間，溫度在攝氏1億度。中科院等離子所副所長宋雲濤說：「核聚變反應堆與裂變反應堆比起來已經相對安全，磁局限融合可以控制聚變。我可以關掉電源，這是無比安全的，不會造成任何核危機。」，核聚變核電廠是將兩個核融合成一個核，然後圓圈內牆的磁力（被稱為電漿）在巨大的管線內部產生反應。這幾乎不會產生任何廢棄物但這項技術並不便宜。光是開啟機器，每天就需要花費15萬美元，這還不包含上百名專家的工資和硬體設備。中國政府花費巨資資助這項計劃，雖然政府知道要讓核聚變供應城市的電力可能還需要很長發展時間。因為如此昂貴而且困難，所以核聚變技術在法國南部的國際熱核聚變實驗堆（ITER）實施國際合作，除了歐盟國家，印度、日本、俄羅斯、韓國和美國也都參與其中，該計劃預計2025年測試。與此同時，中國也在加速自己發展的腳步。安徽這個團隊提出的下一個目標是設計出一個能產生電力的完全成熟的核聚變反應堆。要達到這個目標，它必須比我們現在看到的來得更大，並且能包含無限地電漿反應而不是只有現有的一分半鐘。中國對於核聚變電力有清晰的路徑圖，希望在五年內完成核聚變反應堆的設計，如果成功將是世界第一的核聚變反應堆。最終的目標是核聚變能生產出比人們夢想中更多的電力。雖然可能聽起來遙遠，但如果成功，未來在發電方面，中國將勝過世界上其他國家。