互动科普

太阳是将核聚变反应作为能源从而发光的。现在，全世界都在进行核聚变反应发电的研究。中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国7方共同推进着“国际热核聚变实验堆”(ITER）计划。实际上，试图以不同于ITER的方法来建造核聚变反应堆的研究也在进行，那就是通过激光照射小球状的聚变燃料，从而引发核聚变。这一方法被称为激光核聚变。美国的“国家点火装置”在这方面处于领先地位。

太阳释放出巨大的能量，根源就在其中心发生的核聚变反应。核聚变反应就是原子核之间相互碰撞从而熔合的反应。

现在，全世界都在积极进行用激光实现核聚变反应的研究，期待以此来发电。其中特别引人注目的是在美国加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的巨大实验装置—国家点火装置（NIF，National Ignition Facility）。

NIF的整体建筑长150米，宽90米，约有10层楼高，建设费用约为35亿美元（约合220亿元人民币），于2009年3月建成。其目的是利用192束激光对很小的聚变燃料进行照射，以期创造出微型的“人造太阳”。

少量的燃料能产生巨大的能量，来源取之不尽用之不竭

太阳的主要成分是氢元素，但在高温状态下，氢原子的原子核与电子会分离，并且无规则地飞来飞去，这一状态被称为等离子态。而在高密度的太阳中心，裸露的氢原子核之间相互碰撞、聚变，进而释放出巨大的能量。要想在地球上进行核聚变反应，也必须让聚变燃料处于高温的等离子态。

核聚变反应堆最大的特点就在于能够仅用少量的燃料释放出巨大的能量。核聚变反应堆中使用仅仅1克的燃料，便可以释放出与燃烧8吨石油同样多的能量。不仅如此，核聚变也不会像火力发电那样产生会造成地球变暖的二氧化碳。

核聚变反应堆所使用的燃料是氢的同位素：氘（重氢）和氚（超重氢)。氢中约有0.015%是氘。水分子是由氢原子与氧原子构成的，所以氘从水中就可以得到。可以说，氘其实是取之不尽、用之不竭的。

虽然氚在自然界中几乎不存在，但可以在核聚变反应堆里利用海水中富含的锂元素来人工生成。总而言之，核聚变所需要的燃料其实是无穷无尽的。需要说明的是，氚是放射性物质（半衰期为12.3年，会衰变出β射线），所以必须进行适当的管理与处理。

之所以使用氘和氚作为聚变燃料，是因为他们更容易发生核聚变反应，更何况即便是用氘和氚，也需要1亿摄氏度以上的超高温。若使用其他的原子核，需要高出好几倍的温度，实现难度陡增。

原子核带正电荷，会相互排斥，所以必须加热到超高温使原子核高速运动，才能够抵抗斥力并相互碰撞。

氘原子核与氚原子核相碰撞并融合，就会生成氦原子核，同时产生的中子便会高速飞出。中子是构成原子核的粒子之一，是不带电荷的中性粒子。核聚变反应生成的高速中子会与反应堆的内壁碰撞生热，将这些热量回收用于发电，便是所谓的核聚变发电。

核聚变发电的一大特征就是比现在的核裂变发电的安全性高，在理论上不会发生反应失控的情况。此外，核裂变发电会生成必须与人类社会隔离数万年以上的高放射性废物，而核聚变发电只会产生低放射性废物。

核聚变反应堆中有的使用磁场，有的使用激光

太阳的中心约有1500万摄氏度，密度极大，约为160克/立方厘米。在强大引力的作用下，高温高密度的等离子体紧密地压缩在中心处。

若想人工引发核聚变反应来发电，就必须通过某种方法将等离子体约束在一起。其中一种方法是利用磁场使等离子体飘浮在容器中并聚集在一起的“磁约束”。由中国、欧盟、印度、日本、欧盟、韩国、俄罗斯和美国7方共同建设的ITER所使用的便是磁约束。使用这一方法可以保持1亿摄氏度以上的高温等离子体与反应堆的内壁分离的状态，避免了等离子体与内壁碰撞造成温度下降以及损伤内壁的可能性。磁约束核聚变反应堆有望在本世纪中期就投入实用。

另一方面，使用激光来实现核聚变的方法就是激光核聚变，属于惯性约束核聚变。激光就是方向、相位（波峰的位置)、波长（颜色）一致的一束光，可以通过使用透镜或反射镜将光的能量集中。用于产生激光的装置叫做激光器。

激光核聚变需要在直径约数毫米的球状容器中放入燃料，并用强激光从四面八方对它进行照射后来引发。燃料靶丸在被激光照射后，其表面会在一瞬间被加热至高温，表层材料蒸发并急速向外膨胀，而内层的燃料则会在表层向外膨胀的反作用力下向内收缩。这一向内收缩的过程就叫做爆聚。

爆聚后燃料的密度会达到原本密度的1000倍左右。爆聚的过程只会持续约10亿分之1秒，在这一过程中，燃料靶丸中心在超高温的作用下，一下子就会发生核聚变反应。值得一提的是，也有用离子束照射燃料丸的方法，这些都统称“惯性约束”。

图. 何谓激光核聚变？

图中所示的是最基本的“中心点火”法。①燃料靶丸是在塑料等材料制成的球状容器中注入燃料制成的。将来要用于发电的核聚变反应堆中的燃料靶丸需要被冷冻到极低温，使内层的燃料固化。②用激光从四面八方对燃料小球进行照射。③被加热到高温的燃料靶丸的表层蒸发向外膨胀，内层在反作用力下向中心爆聚。燃料丸中心部分被压缩至超高密度的状态，并在超高温的作用下引发核聚变反应。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）