【康沃真空網(wǎng)】能源作為人類生存和發(fā)展的必要條件，一直是科研領(lǐng)域的重要課題。人類目前所使用的化石能源，因無節(jié)制地開采和利用終將枯竭。而綠色能源如水能、太陽能、風(fēng)能、潮汐能，也只能間歇性獲取，不能滿足人類的巨大需求。面對能源危機，是否有一種可以獲取無限能量的方法呢？核聚變的出現(xiàn)，讓我們看到了人類能源的未來。
近些年，核聚變已成為全世界科學(xué)聚焦領(lǐng)域之一，各國媒體對于核聚變的報道與討論也是越來越多。但是許多人對它仍然很陌生，將其與核電站、原子彈劃等號。
今天我們就來說一說什么是核聚變？它為何如此重要？以及真空技術(shù)在核聚變中起到了怎樣的作用？
在介紹核聚變之前，我們先來認識一下它的“兄弟”——核裂變。
什么是核裂變
上文所說的核電站發(fā)電，及原子彈的爆發(fā)，其能量來源都是核裂變。它是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子的一種核反應(yīng)形式。
通過用中子轟擊鈾同位素U-235引發(fā)裂變。當(dāng)這些中子撞擊U-235原子時，它們會釋放出2到4個中子，這些中子再去撞擊更多的U-235從而形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這個過程會釋放大量的可用能量，還可以產(chǎn)生電磁輻射。
核裂變反應(yīng)堆設(shè)計
裂變反應(yīng)堆的功能與傳統(tǒng)發(fā)電廠相同。裂變發(fā)生在反應(yīng)堆容器中，由控制棒控制。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量用于加熱水并產(chǎn)生蒸汽。然后這些蒸汽轉(zhuǎn)動渦輪機進行發(fā)電。由于使用過的核廢料具有放射性并且半衰期超過10000年，因此需要對核廢料進行安全處理。這不僅增加了后期的成本，也會有一定的危害性。
為了制造核裂變?nèi)剂希紫刃枰M行濃縮：將U-235的濃度從鈾礦石中天然存在的0.7%提高到裂變過程所需的4-5%。這需要使用離心機將鈾礦石轉(zhuǎn)化為UF6氣體，然后經(jīng)過濃縮轉(zhuǎn)化為燃料芯塊。當(dāng)然，整個離心過程需要在特定的真空環(huán)境下完成。
如今，有約440座核反應(yīng)堆在33個國家運行。這些反應(yīng)堆產(chǎn)生了世界上大約10%的電力。此外，約有55座核動力反應(yīng)堆正在建設(shè)中。鈾礦石來自10個國家，其能量密度是化石燃料的70000倍。而建造一座核電站的成本預(yù)估在20到200億美元不等。
什么是核聚變
核聚變是一項發(fā)展中的技術(shù)，它的出現(xiàn)將徹底打破能源生產(chǎn)的現(xiàn)狀，屬于當(dāng)前科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。
在核聚變過程中，兩個輕原子在極高的溫度和壓力下讓核外電子擺脫原子核的束縛，使兩個原子核互相吸引碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核（如氦）。由于中子不帶電，所以中子在整個碰撞過程中會逃離原子核的束縛，大量電子和中子的釋放會產(chǎn)生巨大能量。這就是核聚變的能量來源。
人類現(xiàn)階段研究的是技術(shù)難度相對較低的第一代核聚變，所使用的原料就是氫的兩個同位素，氘和氚。理想的一代聚變反應(yīng)使用氘和氚的50:50混合物（如下圖反應(yīng)3）。然而，氚在自然界中很稀有，因為氚是一種放射性元素，且它的半衰期很短，只有12.43年，所以它不能在自然界中長期保存，自然界中也沒有可以合成氚的條件，所以氚必須人工生產(chǎn)。人工生產(chǎn)氚成本十分高昂。目前核聚變裝置僅使用氘來進行（反應(yīng)1和2），因為地球上的氘很豐富，每升海水之中就含有0.03克的氘，所以可以極大降低聚變反應(yīng)的成本。
核聚變能源為何還沒實現(xiàn)
其實，人類已經(jīng)實現(xiàn)了氘氚核聚變——氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放，人類更需要受控核聚變。目前開展的受控核聚變研究正是致力于實現(xiàn)聚變能的和平利用。
受控?zé)岷司圩兡艿难芯恐饕袃煞N：磁約束核聚變和慣性約束核聚變。磁約束核聚變（MCF）由環(huán)形真空室和環(huán)形線圈組成，在通電時產(chǎn)生巨大的螺旋磁場，它是利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性，將氘氚氣體約束在真空磁容器中并加熱至數(shù)億攝氏度高溫，以達到核聚變的目的。
托卡馬克（Tokamak）是前蘇聯(lián)科學(xué)家于20世紀(jì)50年代發(fā)明的環(huán)形磁約束受控核聚變實驗裝置。經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力，在托卡馬克上產(chǎn)生聚變能的科學(xué)可行性已被證實，但相關(guān)結(jié)果都是以短脈沖形式產(chǎn)生的，與實際反應(yīng)堆的連續(xù)運行有較大距離。實現(xiàn)核聚變發(fā)電的兩大難點是如何實現(xiàn)上億度點火和穩(wěn)定長時間約束控制。
2021年12月30日，我國研制的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實現(xiàn)7000萬℃高溫下1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，突破千秒大關(guān)，是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。點擊圖片了解更多托卡馬克知識及我國相關(guān)的研究進展。
慣性約束核聚變（ICF）是利用超高強度的激光在極短的時間內(nèi)輻照氘氚靶來實現(xiàn)聚變，把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入氘氚靶內(nèi)。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發(fā)，受它的反作用，球面內(nèi)層向內(nèi)擠壓，氘氚靶內(nèi)的氘和氚受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當(dāng)溫度達到所需要的點火溫度時，氘和氚便會在真空反應(yīng)室中發(fā)生爆炸，產(chǎn)生的蒸汽熱量轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生的氚可作為新燃料循環(huán)利用。這種爆炸過程時間很短，只有幾萬億分之一秒。如果這種爆炸連續(xù)不斷地進行下去，所釋放出的能量將不可限量。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory - LLNL）構(gòu)想的激光慣性約束核聚變反應(yīng)堆示意圖
核聚變的優(yōu)勢
與碳氫化合物來源相比，聚變的主要優(yōu)點是燃料豐富，沒有溫室氣體等有害副產(chǎn)品。與核裂變相比，核聚變具有如下優(yōu)勢：
丨雖然聚變反應(yīng)會釋放出對人類有危險的中子，但這些中子是被控制住的，而且一旦電廠關(guān)閉，中子的產(chǎn)生就會停止。
丨核聚變本質(zhì)上更安全更可控，因為不會出現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、失控或熔毀。
丨核聚變會導(dǎo)致極端溫度，但如果有任何等離子體逸出，其熱量就會迅速消散不會造成人員傷害。
丨雖然核聚變確實會產(chǎn)生放射性核廢物，但這種放射性是短暫的，尤其是與裂變產(chǎn)生的核廢物相比。
丨通過核聚變產(chǎn)生的廢物不需要安全處理、儲存或再加工。
真空技術(shù)在核聚變中的應(yīng)用
磁約束核聚變過程中的真空應(yīng)用：
丨真空室：真空室內(nèi)需要達到超高真空度，防止等離子體污染；
丨低溫：低溫恒溫器等冷卻系統(tǒng)本身需要真空；
丨氚生產(chǎn)：氚通過中子與鋰碰撞產(chǎn)生，需要真空環(huán)境和充入冷卻氣體。中子也由裂變反應(yīng)或線性加速器產(chǎn)生，它們也需要真空才能運行；
丨等離子加熱：中性束注入系統(tǒng)需要真空來加熱等離子；
丨真空測試：設(shè)備在真空下使用除氣裝置和檢漏儀等工具進行測試；
丨壓力表和儀表：用于監(jiān)測設(shè)備與裝置的性能；
丨再循環(huán)：未使用的燃料和氦氣從腔室中抽出，分離并再循環(huán)。
麻省理工學(xué)院的阿爾卡特C-Mod裝置內(nèi)部真空腔體
慣性約束核聚變過程中的真空應(yīng)用：
丨反應(yīng)室：反應(yīng)室需要達到超高真空度，防止等離子體污染；
丨目標(biāo)定位：瞄準(zhǔn)燃料的激光系統(tǒng)需要在真空條件下運行，以防止光束線的損耗和畸變；
丨空間過濾器：用于“清理”激光束的空間過濾器需要在真空條件下發(fā)揮作用；
丨壓力表和儀表：用于監(jiān)測設(shè)備與裝置的性能。
對于核聚變來說，選擇真空設(shè)備的關(guān)鍵與氚的屬性有關(guān)，這意味著要首選金屬密封件，并且泵內(nèi)不能含有碳氫化合物。磁約束核聚變所運用的真空泵還必須能夠在高磁場和強輻射下運行。慣性約束核聚變的反應(yīng)室周圍空間非常有限，停機成本非常高，因此泵體必須占用較小的空間。核聚變反應(yīng)裝置多采用渦輪分子泵和低溫泵作為真空獲得設(shè)備。
核聚變的未來
關(guān)于何時能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變技術(shù)現(xiàn)在仍存在爭議，有的學(xué)者樂觀估計周期為10到20年。因為世界各地的核聚變項目已經(jīng)開始有了實質(zhì)性的進展。近期，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員完成了一項慣性約束核聚變實驗，并獲取了超過1.3兆焦耳的能量，這成為實現(xiàn)核聚變點火的關(guān)鍵一步。
核聚變與核裂變世界布局
如今在18個國家或地區(qū)，已有超過50臺正在運行或正在建造的核聚變裝置。一些非國家性質(zhì)的公司研發(fā)團隊也在加緊開發(fā)中。由于核聚變?nèi)剂系哪芰棵芏雀哂诤肆炎儯腔剂系募s10000000倍，所以可控核聚變技術(shù)的到來，將重塑能源生產(chǎn)的未來。
