核聚变：历史性突破

诸平

据法国索邦大学（Sorbonne Université）2023年2月13日报道，在核聚变领域，已经取得了历史性突破（Nuclear Fusion: A Historic Breakthrough）。

2022年12月，国家点火设施（National Ignition Facility简称NIF）的科学家们宣布了核聚变领域的“历史性突破”。他们首次成功地通过聚变反应释放出了超过引发核反应所必需的能量。

索邦大学（Sorbonne Université）强激光使用实验室（Laboratory for the Use of Intense Lasers）的物理教授卡特里娜·理光达（Caterina Riconda）和等离子体物理实验室（Laboratory of Plasma Physics）的副教授皮埃尔·莫雷尔（Pierre Morel）讨论了这些前所未有的结果。

问：核聚变与目前用于核电站的裂变有什么不同？

卡特琳娜·理光达：核聚变是发生在恒星中心的过程。核裂变的目的是把重原子核分裂成轻原子核，而核聚变则是将轻原子核组装成重原子核。最容易结合的元素是两种形式的氢，氘和氚，它们发生核聚变反应之后，会产生氦原子核和中子。裂变和聚变的共同点是它们释放出巨大的能量，几乎是发动机燃烧时释放出的能量的一百万倍。

皮埃尔·莫雷尔：除了产生许多放射性元素外，裂变的一个主要问题是如何控制反应。要打破原子核，必须用中子轰击原子核：第一个中子撞击原子核，原子核裂变产生另一个中子。从一个中子中，我们得到两个中子，这样就能再次击碎两个原子核，然后是四个，然后是十六个，依此类推，这样就产生了链式反应（chain reaction），这就是原子弹的原理。在核反应堆中，这种链式反应是可控的，但燃料必须持续冷却，如果燃料不足，就会导致核灾难，如前苏联时期乌克兰境内切尔诺贝利核电站（Chernobyl）或日本福岛（Fukushima）核电站的核子反应堆事故。

问：有哪些优势？

皮埃尔·莫雷尔：当前位置聚变是一个安全的过程：如果条件不理想，反应会立即停止，因此反应不可能被冲走。此外，反应还去除了一种不稳定的放射性元素氚，从而获得高能量的中子和氦，氦是地球上非常稀有的惰性元素。即使反应堆壁在长期中子的轰击下可能会有轻微的放射性，但就寿命而言，这种放射性与裂变反应所造成的放射性无关。因此，从废物安全和清洁的角度来看，核聚变显然更有利。

皮埃尔·莫雷尔：核聚变是一个安全的过程：如果条件不理想，反应会立即停止；因此，不可能有一种被带走的反应。此外，该反应还去除了一种不稳定的放射性元素氚，从而获得了高能中子和氦，这是一种在地球上非常稀有的惰性元素。

即使反应堆的壁在中子长期轰击下具有轻微放射性的风险，但就寿命而言，这种放射性与裂变反应引起的放射性无关。因此，从废物安全和清洁的角度来看，核聚变显然更有许多优势。

问：引起核聚变的条件是什么？
卡特琳娜·理光达：需要极端条件，特别是几亿度的温度。这种热量使带正电的原子核克服将它们推开的电斥力并融合，释放出巨大的能量。在这些条件下，物质变成等离子体，一种密度相当大且完全带电的气体。

皮埃尔·莫雷尔：温度越高，原子核的搅动越大，它们相遇的可能性就越大。因此，实现聚合的三个条件是：温度和足够多的粒子以及足够长的限制时间。

问：满足这些条件的不同方法有哪些？
皮埃尔·莫雷尔：有不同的技术，其中最著名的是惯性约束（inertial confinement）和磁约束（magnetic confinement）。为了使聚变有利可图，它必须释放比引发聚变所需的能量更多的能量，尤其是加热等离子体所需的能量。为此，要么通过惯性约束大大增加密度，要么通过磁约束大大增加能量约束时间。
卡特琳娜·理光达：惯性约束是 NIF 研究的方法：科学家们使用非常强大的激光来加热和压缩氘/氚混合物，直到它们的原子融合。这种方法可以达到非常高的温度和密度（高达固体密度的1000倍），但限制时间非常短，约为10纳秒（10 ns）。法国有一个类似的装置，但目前能量较低：激光兆焦耳 ( Laser MegaJoule简称LMJ) 。

磁约束被用作国际热核实验反应堆项目（International Thermonuclear Experimental Reactor project,简称ITER）的一部分。带正电的等离子体粒子包含在称为托卡马克（tokamak）的环形磁笼中。限制时间较长，但密度仍然相对较低。

问：为什么国家点火装置（NIF）发表的成果被认为是核聚变领域的“历史性突破”？

卡特琳娜·理光达：尽管这两种方法在过去取得了很大进步，但这是我们第一次成功地产生比等离子体吸收的能量更多的能量。这是一个理论上的突破：科学家们已经成功地以可控的方式创造了地球上任何地方都不存在的密度和温度条件。我们已经知道如何引发核聚变，但还不是像2022年12月那样的自持反应（self-sustaining reaction）。但是，要使核聚变成为能源生产的解决方案，还有很长的路要走。

问：拥有可运行的聚变反应堆需要克服哪些技术挑战？

卡特琳娜·理光达：目前，能量增益处于等离子体水平，但尚未达到全球工程水平。此外，在NIF实验期间，每周只进行几次注射。然而，一个运行中的反应堆应该有大约每秒 10 次发射的频率，一年中的每一天都是如此。另一个问题：受到中子持续轰击的反应堆壁必须在很长一段时间内保持足够的机械性能。

皮埃尔·莫雷尔：就磁约束聚变路线而言，我们还要考虑如何处理仍处于约束状态的α粒子，如何更新托卡马克中的燃料，回收中子来加热水和训练涡轮机或原位生产氚并将其重新注入聚变反应等问题。在充分提高聚变效率之前，还有很多工作要做。在2025年第一次等离子体之后，我们将逐渐增加功率，到2035年获得比注入核聚变反应堆的能量大 10 倍的能量释放。

问：法国在核聚变研究中发挥着重要作用，对吧？

卡特琳娜·理光达：上面提到的许多问题都将在ITER和LMJ上进行研究。ITER是在法国建造的国际实验反应堆，用于证明可控聚变的可行性。法国是在等离子体和聚变研究方面投入最多的欧洲国家之一。不可否认，2022年12月的历史性突破发生在美国加利福尼亚州的 NIF，但这首先是一个国际研究项目，几位法国科学家与美国同事携手合作。我工作的强激光使用实验室 ( Laboratory for the Use of Intense Lasers简称LULI) 主任塞巴斯蒂安·勒帕佩 (Sébastien Le Pape) 也参与了2022年发表的研究，该研究成果是NIF进展的基础（a publication that is the basis of the progress of the NIF）。

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