可控核聚变技术有什么用？中美两国不同的核变方法，谁更有优势？

我要新鲜事2023-05-13 22:57:300阅

核聚变，它模仿了太阳的能量产生方式，从而释放出几近无穷的能量。如果能实现可控核聚变，就可以为人类提供清洁、安全、无限的能源，解决能源危机的难题。但是，要达到这个目标，需要克服极其困难的技术难题。

目前，世界上有两个最先进的核聚变实验装置，一个是美国的国家点火装置（NIF），一个是中国的超导托卡马克（EAST）。它们分别采用了不同的核聚变方法，都取得了令人瞩目的成果。那么，中美核聚变究竟哪个更厉害？人类距离可控核聚变还有多远？

可控核聚变的梦想，可以追溯到上个世纪初。1920年，物理学家阿丝顿发现，2个氢原子核加起来的质量，要比一个氦原子核的质量大一些。这就意味着，如果氢原子核合成氦原子核，就会有一部分质量变成能量，这是质能方程E=mc²的体现。

在此之后，物理学家们就猜测出了恒星内部的核聚变反应，并开始探索如何在地球上重现这种反应。

1932年，澳大利的欧里芬特和英国的拉瑟弗首次实现了人工核聚变，他们用加速器把氘原子核轰击到锂靶上，产生了氦原子核和中子。但是这种方法需要消耗很多能量，不能用于发电。

1940年代，在曼哈顿计划中，美国物理学家泰勒提出了利用热核武器引发可控核聚变的想法，但是这种方法也不可行。

1950年代，在原子能会议上，美国和苏联等国家开始公开交流可控核聚变方面的研究成果，并展开了激烈的竞争。

从那时起，可控核聚变就成为了人类科技进步的一个重要目标。经过几十年的努力，人类已经掌握了多种实现可控核聚变的方法，并建造了许多先进的实验装置。但是要让可控核聚变真正走进我们的生活，还需要克服许多技术难题和挑战。

可控核聚变不仅是一项科学问题，也是一项社会问题。它涉及到人类对自然界的认识和利用，以及对未来社会的设想和规划。

如果有一天，可控核聚变真正实现了，那么我们将会拥有一个全新的世界。我们不再需要依赖石油、煤炭等化石能源，也不再需要担心温室效应、空气污染、核废料等环境问题。

我们可以用廉价、安全、无限的能源来驱动我们的工业、农业、交通、通讯等各个领域。我们可以用核聚变来提供所有我们所需要的能量。

要实现可控核聚变，最关键的问题是如何让氢等轻元素的原子核在极高的温度和压力下相互碰撞并融合。这就需要一种装置，能够产生、加热、压缩和约束高温等离子体，即由带电粒子组成的气体。

目前，惯性约束和磁约束是世界上两种主流的核聚变方法。中美两国在这两种方法上都有自己的优势和特色。

惯性约束核聚变是利用强大的激光或粒子束，对一个含有氘和氚的小球进行瞬间均匀的轰击，使其快速压缩和加热，达到核聚变所需的条件。这种方法的难点是如何保证小球的均匀性和稳定性，以及如何提高激光或粒子束的能量转化效率。

美国在这方面走在了世界前列，它建造了世界上最大的惯性约束核聚变装置——国家点火装置（NIF），它拥有192个高功率激光器，可以对一个直径不到1毫米的小球发射出近2兆焦耳的能量。

2021年8月8日，NIF实现了一个重大突破，它首次达到了“点火”状态，即核聚变反应释放出来的能量超过了激光输入的能量。2023年4月13日，NIF又创造了新的纪录，它成功实现了“超点火”状态，即核聚变反应释放出来的能量超过了小球本身所含的能量。

不同于美国，中国坚持磁约束核聚变的技术路线，并建造了世界上最先进的超导托卡马克实验装置（EAST），它采用了一种类似于圆环面包的环形结构，可以产生出复杂而精确的磁场来约束等离子体。

在2020年的最后一个月，EAST创造了一个惊人的纪录：它让等离子体保持了超过太阳表面温度10倍的高温，而且持续了超过100秒的时间。2023年4月13日，EAST又刷新了自己的纪录，将持续时间延长到403秒。

从上面的介绍可以看出，中美两国在核聚变方面采用了不同的方法，也取得了不同的成果。那么，中美核聚变究竟哪个更厉害呢？

这个问题并不容易回答，因为两种方法各有优劣，也面临着不同的挑战。我们可以从以下几个方面来分析：

激光惯性约束技术的局限性

美国的激光惯性约束技术虽然可以产生高能量密度的核聚变，但也有很多问题。

首先，这种技术需要消耗大量的电能来驱动激光系统，而且激光系统的效率很低，只有几个百分点。这意味着输入的能量远远大于输出的能量，无法实现能量收益。

其次，这种技术只能产生瞬时的核聚变反应，无法实现持续稳定的核聚变反应。这对于发电来说是不可行的。

再次，这种技术需要频繁更换靶点材料，而且靶点材料很昂贵，这增加了成本和难度。最后，这种技术会产生大量的中子辐射和放射性废物，对环境和人体有很大的危害。

因此，美国的激光惯性约束技术并不适合用于发电，而更多地是用于武器研究和军事用途。事实上，美国国家点火装置（NIF）就是为了模拟氢弹爆炸而建造的。

托卡马克磁约束技术的优势

中国的托卡马克磁约束技术虽然也有一些问题，但也有很多优势。首先，这种技术可以实现持续稳定的核聚变反应，而不是短暂爆发式的核聚变反应。这对于发电来说是非常重要的，因为只有持续稳定的核聚变反应才能提供稳定的电力供应。

其次，这种技术的能量转换效率相对较高，可以达到几十个百分点。这意味着输入的能量和输出的能量相差不大，甚至可以实现能量收益。

再次，这种技术不需要频繁更换等离子体材料，而且等离子体材料很便宜，只需要水和锂就可以制造。这降低了成本和难度。最后，这种技术产生的中子辐射和放射性废物相对较少，对环境和人体的危害也相对较小。

可以说，中国的托卡马克磁约束技术更适合用于发电，而且更具发展潜力和应用前景。事实上，国际热核聚变实验堆项目，也采用了相同的技术路线。

总之，中美两国在核聚变方面的技术差距并不大，而且中国在核聚变温度和时间方面已经超越了美国，而美国在核聚变能量方面还领先于中国。

但从长远来看，中国的托卡马克磁约束技术更具发展潜力和应用前景，而且中国在核聚变研究方面也有着强大的创新能力和合作意愿。因此，我们有理由相信，中国将在不久的将来实现可控核聚变，并为人类提供清洁安全的无限能源。

经过上面的分析，我们可以看到，中美两国在核聚变方面都取得了令人瞩目的进展，但也都还有很多难题要克服。那么，“终极能源”何时实现呢？

这个问题没有一个确定的答案，因为核聚变的发展不仅取决于科学技术的突破，还受到经济、社会、政治等多方面的影响。不过，我们可以从以下几个方面来大致估计一下。

首先，我们可以参考国际上正在建设的国际热核聚变实验堆（ITER），这是一个由35个国家和地区共同参与的大型核聚变项目，旨在验证MCF方法的可行性和可靠性。

ITER计划在2025年完成建设，2026年开始进行首次等离子体运行，2035年开始进行氘氚反应运行，并在2040年左右实现点火。

如果ITER能够按计划顺利进行，并取得预期的成果，那么它将为未来的商业化核聚变发电站提供重要的技术基础和经验借鉴。

其次，我们可以参考中美两国在核聚变方面的发展规划和投入。美国在2022年3月发布了一份《商业化核聚变能源的大胆愿景》，提出了一系列的目标和措施，以加快核聚变技术的创新和应用，支持私营部门和学术界的合作，促进核聚变产业的发展。

美国计划在2030年前实现ICF方法的点火，并在2040年前建成第一座商业化核聚变发电站。

中国在2021年发布了《中国能源发展战略行动计划（2021-2035）》，提出了一系列的目标和措施，以加强核聚变基础研究和工程应用，支持公共部门和民营部门的合作，推动核聚变技术的自主创新和国际合作。中国计划在2030年前建成EAST后继装置（CNF）并实现点火，并在2050年前建成第一座商业化核聚变发电站。

最后，我们可以参考其他国家和地区在核聚变方面的研究和贡献。除了中美两国之外，还有很多国家和地区也在积极开展核聚变研究，如欧盟、日本、韩国、俄罗斯、印度等。它们不仅参与了ITER项目，还有自己的核聚变实验装置和计划。

此外，还有一些私营公司和机构也在探索不同的核聚变方法和模式，如英国的托卡马克能源公司（Tokamak Energy）、加拿大的通用聚变公司（General Fusion）、美国的三阿尔法能源公司（TAE Technologies）等。它们都希望能够在未来几十年内实现商业化核聚变发电。

核聚变，是人类能源的终极梦想，也是人类科技的最高峰。中美两国在核聚变方面都展现了强大的实力和雄心，也都面临着巨大的挑战和竞争。作为中国人，我们应该为我们的“人造太阳”感到自豪，也应该为我们的科学家和工程师感到敬佩。他们用智慧和汗水，为实现可控核聚变的目标而不懈努力，为人类的未来而不断探索。

同时，我们也应该保持清醒和谦逊，不要盲目自信和骄傲。我们要认识到核聚变的发展不是一件简单的事情，也不是一场简单的比赛。我们要与国际社会共同合作，共享资源和经验，共同推进核聚变技术的进步和应用，共同造福人类和地球。