探索核聚变的奥秘：科学家的梦想与挑战

大约60年前，俄罗斯物理学家列夫·阿尔茨莫维奇说核聚变“当社会需要时就会准备好”。

几十年来，科学家们一直试图再现驱动太阳的聚变反应，希望能够产生潜在无限的清洁能源。但最近科学和技术的进步，以及科技公司急于为人工智能热潮提供资金支持，使得聚变成为一个“可行的选择”，《财富》表示。

英国在聚变能源研究方面取得了“重大突破”，英国原子能管理局上周宣布。那里的研究人员首次在一个球形托卡马克中成功稳定了聚变过程——这是一种比大多数研究人员使用的聚变设备更紧凑的设备。这是一个“重要的里程碑”。

什么是聚变？

当大多数人想到核能时，他们想到的主要是核裂变。裂变通过分裂重原子来产生能量——而聚变则通过将轻原子融合产生能量。

在聚变中，氢同位素被加热到极高的温度，形成等离子体——超热的带电气体。原子核获得足够的能量，克服彼此之间的排斥力，结合成氦。

在这个过程中，它们会失去一小部分质量，这部分质量转化为巨大的能量。这正是驱动恒星的反应。

为什么聚变如此吸引人？

聚变承诺提供“几乎无限、无碳的能源”，泰晤士报表示。核物理学家安妮·克里彻在《财富》杂志中表示，这是“能源的圣杯”。

科学家估计，一杯聚变反应堆燃料可以产生足够的能量，为一个家庭提供超过800年的电力，金融时报报道。和裂变不同，它不会产生长期的放射性废物，也不会像切尔诺贝利那样导致失控的核反应事故。

比尔·盖茨在本月的《盖茨笔记》网站上说：“如果你知道如何建造聚变电厂，你就可以在任何地方、任何时候都拥有无限的能源。”核聚变不仅可以满足全球能源需求的激增，一些科学家还建议它可以为一个碳捕集系统提供动力，这个系统可以从大气中去除二氧化碳，帮助应对气候变化。

为什么聚变如此难以重现？

恒星能够融合氢，因为它们巨大的引力在核心产生了极端的压力和热量。在地球上，重现这些条件依然是科学界最艰巨、最昂贵的挑战之一。

英国科学家在1934年首次实现了核聚变，使用了粒子加速器，但国际原子能机构的《公报》杂志表示，商业化聚变“仍然是一个遥远的梦想”。实现可控聚变，即未来可能为反应堆提供动力的那种聚变，仍然很难实现。为了维持聚变，氢同位素必须加热到数千万度，直到它们形成等离子体。这是如此之热，甚至比太阳表面还要热，以至于无法与任何固体表面接触；它必须通过强大的磁场或激光脉冲来进行约束。

苏联物理学家在1950年代开发了第一台聚变机器，称为托卡马克，这个名字是俄语缩写，意思是“带有磁线圈的环形腔”。这些甜甜圈形状的真空腔体使用强大的磁铁来旋转和加热氢气，然后在氢气聚变并释放能量的过程中捕获等离子体。

但在过去70年里，没有任何实验从聚变中获得的能量超过投入的燃料能量。然后，在2022年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们取得了一项里程碑式的突破：他们的反应释放的能量超过了过程消耗的能量。项目设计师克里彻表示，这被称为“莱特兄弟的时刻”。

那么，聚变什么时候能为电网供电呢？

世界上最大的聚变实验——国际热核实验反应堆正在法国进行中。这是一个由包括中国、俄罗斯和美国在内的33个国家共同资助的公共项目，但它“遭遇了多次延误和挫折”，预计在2035年前不会投入使用，B1M报道。这基本上是一个大型实验，旨在展示聚变在大规模应用中的可行性，但它并不会产生电力。

不过，私营部门的聚变竞赛正在“升温”，FT报道。科技公司正在向聚变初创企业投入资金，希望能为他们的数据中心提供能源。聚变公司也获得了巨额的私人投资——“主要来自亿万富翁”，如OpenAI的山姆·阿尔特曼——以及公共资金。

而且他们的进展非常迅速。美国的一家初创公司——英联邦聚变系统，正在建设一座核聚变电厂，计划在2027年投入使用。人们希望它能在2030年代初为电网供电，这在历史上是前所未有的。许多私人和国有的中国企业也在“争相在2035年或更早之前建造商业聚变反应堆”，南华早报报道。

但即使最具雄心的计划得以实现，核聚变电厂在2040年代之前也不太可能普及。