永恒能源！5分钟明白什么是核聚变，真空为何必不可少？

能源作为人类生存和发展的必要条件，一直是科研领域的重要课题。人类目前所使用的化石能源，因无节制地开采和利用终将枯竭。而绿色能源如水能、太阳能、风能、潮汐能，也只能间歇性获取，不能满足人类的巨大需求。面对能源危机，是否有一种可以获取无限能量的方法呢？核聚变的出现，让我们看到了人类能源的未来。

近些年，核聚变已成为全世界科学聚焦领域之一，各国媒体对于核聚变的报道与讨论也是越来越多。但是许多人对它仍然很陌生，将其与核电站、原子弹划等号。

今天我们就来说一说什么是核聚变？它为何如此重要？以及真空技术在核聚变中起到了怎样的作用？

在介绍核聚变之前，我们先来认识一下它的“兄弟”——核裂变。

什么是核裂变

上文所说的核电站发电，及原子弹的爆发，其能量来源都是核裂变。它是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。

通过用中子轰击铀同位素U-235引发裂变。当这些中子撞击U-235原子时，它们会释放出2到4个中子，这些中子再去撞击更多的U-235从而形成链式反应。这个过程会释放大量的可用能量，还可以产生电磁辐射。

核裂变反应堆设计

裂变反应堆的功能与传统发电厂相同。裂变发生在反应堆容器中，由控制棒控制。反应产生的热量用于加热水并产生蒸汽。然后这些蒸汽转动涡轮机进行发电。由于使用过的核废料具有放射性并且半衰期超过10000年，因此需要对核废料进行安全处理。这不仅增加了后期的成本，也会有一定的危害性。

为了制造核裂变燃料，首先需要进行浓缩：将U-235的浓度从铀矿石中天然存在的0.7%提高到裂变过程所需的4-5%。这需要使用离心机将铀矿石转化为UF6气体，然后经过浓缩转化为燃料芯块。当然，整个离心过程需要在特定的真空环境下完成。

如今，有约440座核反应堆在33个国家运行。这些反应堆产生了世界上大约10%的电力。此外，约有55座核动力反应堆正在建设中。铀矿石来自10个国家，其能量密度是化石燃料的70000倍。而建造一座核电站的成本预估在20到200亿美元不等。

什么是核聚变

核聚变是一项发展中的技术，它的出现将彻底打破能源生产的现状，属于当前科学研究的前沿领域。

在核聚变过程中，两个轻原子在极高的温度和压力下让核外电子摆脱原子核的束缚，使两个原子核互相吸引碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦）。由于中子不带电，所以中子在整个碰撞过程中会逃离原子核的束缚，大量电子和中子的释放会产生巨大能量。这就是核聚变的能量来源。

人类现阶段研究的是技术难度相对较低的第一代核聚变，所使用的原料就是氢的两个同位素，氘和氚。理想的一代聚变反应使用氘和氚的50:50混合物（如下图反应3）。然而，氚在自然界中很稀有，因为氚是一种放射性元素，且它的半衰期很短，只有12.43年，所以它不能在自然界中长期保存，自然界中也没有可以合成氚的条件，所以氚必须人工生产。人工生产氚成本十分高昂。目前核聚变装置仅使用氘来进行（反应1和2），因为地球上的氘很丰富，每升海水之中就含有0.03克的氘，所以可以极大降低聚变反应的成本。

核聚变能源为何还没实现

其实，人类已经实现了氘氚核聚变——氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。

受控热核聚变能的研究主要有两种：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。磁约束核聚变（MCF）由环形真空室和环形线圈组成，在通电时产生巨大的螺旋磁场，它是利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在真空磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，以达到核聚变的目的。

托卡马克（Tokamak）是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。实现核聚变发电的两大难点是如何实现上亿度点火和稳定长时间约束控制。

2021年12月30日，我国研制的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现7000万℃高温下1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，突破千秒大关，是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

惯性约束核聚变（ICF）是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入氘氚靶内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压，氘氚靶内的氘和氚受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度时，氘和氚便会在真空反应室中发生爆炸，产生的蒸汽热量转化为热能，产生的氚可作为新燃料循环利用。这种爆炸过程时间很短，只有几万亿分之一秒。如果这种爆炸连续不断地进行下去，所释放出的能量将不可限量。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory - LLNL）构想的激光惯性约束核聚变反应堆示意图

核聚变的优势

与碳氢化合物来源相比，聚变的主要优点是燃料丰富，没有温室气体等有害副产品。与核裂变相比，核聚变具有如下优势：

丨虽然聚变反应会释放出对人类有危险的中子，但这些中子是被控制住的，而且一旦电厂关闭，中子的产生就会停止。

丨核聚变本质上更安全更可控，因为不会出现链式反应、失控或熔毁。

丨核聚变会导致极端温度，但如果有任何等离子体逸出，其热量就会迅速消散不会造成人员伤害。

丨虽然核聚变确实会产生放射性核废物，但这种放射性是短暂的，尤其是与裂变产生的核废物相比。

丨通过核聚变产生的废物不需要安全处理、储存或再加工。

真空技术在核聚变中的应用

磁约束核聚变过程中的真空应用：

丨真空室：真空室内需要达到超高真空度，防止等离子体污染；

丨低温：低温恒温器等冷却系统本身需要真空；

丨氚生产：氚通过中子与锂碰撞产生，需要真空环境和充入冷却气体。中子也由裂变反应或线性加速器产生，它们也需要真空才能运行；

丨等离子加热：中性束注入系统需要真空来加热等离子；

丨真空测试：设备在真空下使用除气装置和检漏仪等工具进行测试；

丨压力表和仪表：用于监测设备与装置的性能；

丨再循环：未使用的燃料和氦气从腔室中抽出，分离并再循环。

麻省理工学院的阿尔卡特C-Mod装置内部真空腔体

惯性约束核聚变过程中的真空应用：

丨反应室：反应室需要达到超高真空度，防止等离子体污染；

丨目标定位：瞄准燃料的激光系统需要在真空条件下运行，以防止光束线的损耗和畸变；

丨空间过滤器：用于“清理”激光束的空间过滤器需要在真空条件下发挥作用；

丨压力表和仪表：用于监测设备与装置的性能。

对于核聚变来说，选择真空设备的关键与氚的属性有关，这意味着要首选金属密封件，并且泵内不能含有碳氢化合物。磁约束核聚变所运用的真空泵还必须能够在高磁场和强辐射下运行。惯性约束核聚变的反应室周围空间非常有限，停机成本非常高，因此泵体必须占用较小的空间。核聚变反应装置多采用涡轮分子泵和低温泵作为真空获得设备。

核聚变的未来

关于何时能够实现可控核聚变技术现在仍存在争议，有的学者乐观估计周期为10到20年。因为世界各地的核聚变项目已经开始有了实质性的进展。近期，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员完成了一项惯性约束核聚变实验，并获取了超过1.3兆焦耳的能量，这成为实现核聚变点火的关键一步。

如今在18个国家或地区，已有超过50台正在运行或正在建造的核聚变装置。一些非国家性质的公司研发团队也在加紧开发中。由于核聚变燃料的能量密度高于核裂变，是化石燃料的约10000000倍，所以可控核聚变技术的到来，将重塑能源生产的未来。

版权信息：本文部分编译自vacuum science world，图片版权属原作者所有。

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