第三百九十一章 齊人之福

　　可控核聚變反應堆的意義和重要性無需多說。

　　在人類可預見的未來，化石能源必將有消耗殆盡的一天，根據地球上當前已探明的化石能源儲量和消費量計算，石油大概還能用四十年，天然氣八十年，煤炭二百年。

　　但隨著化石能源逐漸減少，未來這些能源的開采成本只會越來越高，因此，世界各國幾乎都把獲取廉價能源的希望全部寄托在了可控核聚變的身上。

　　據測算，每升海水中含有0.03克氘，地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。

　　1升海水中所含的氘，經過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。

　　地球上蘊藏的核聚變能約為蘊藏的可進行核裂變元素所能釋出的全部核裂變能的1000萬倍，可以說是取之不竭的能源。

　　更重要的是，可控核聚變不會產生污染環境的放射性物質，可在稀薄的氣體中持續地穩定進行，堪稱安全環保能源的典范。

　　因此，從某種意義上說，可控核聚變對能源革命的推動力比金屬電池還要大上許多，但出于成本、工藝以及策略考慮，陳新暫時不準備把可控核聚變技術拿出來，除非金屬電池在未來世界各國推廣受到阻礙，他才會祭出這對堪稱超級大殺器的組合。

　　至于現在，他首先要做的就是和鋼镚好好打造一臺屬于戰忽局的核聚變反應堆。

　　核聚變反應堆的原理很簡單，也很好理解。

　　第一步。作為反應體的混合氣必須被加熱到等離子態——也就是溫度足夠高到使得電子能脫離原子核的束縛，原子核能自由運動，這時才可能使得原子核發生直接接觸，這個時候，需要大約10萬攝氏度的溫度。

　　第二步，為了克服庫侖力，也就是同樣帶正電荷的原子核之間的斥力，原子核需要以極快的速度運行，得到這個速度，最簡單的方法就是——繼續加溫。使得布朗運動達到一個瘋狂的水平。要使原子核達到這種運行狀態，需要上億攝氏度的溫度。

　　然后就簡單了，氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤果果地發生碰撞。產生了新的氦核和新的中子。釋放出巨大的能量。經過一段時間。反應體已經不需要外來能源的加熱，核聚變的溫度足夠使得原子核繼續發生聚變。這個過程只要氦原子核和中子被及時排除，新的氚和氘的混合氣被輸入到反應體。核聚變就能持續下去，產生的能量一小部分留在反應體內，維持鏈式反應，大部分可以輸出，作為能源來使用。

　　看起來很簡單是吧，只有一個問題，你把這個高達上億攝氏度的反應體放在哪里呢？迄今為止，人類還沒有造出任何能經受1萬攝氏度的化學結構，更不要說上億攝氏度了。

　　這就是為什么一槌子買賣的氫彈已經制造了50年后冇，人類還沒能有效的從核聚變中獲取能量的原因。

　　好了，人類是很聰明的，不能用化學結構的方法解決問題，我們就用物理方法的試驗一下。

　　早在50年前，兩種約束高溫反應體的理論就產生了。

　　一種是慣性約束，把幾毫克的氘和氚的混合氣體裝入直徑約幾毫米的小球內，然后從外面均勻射入激光束或粒子束，球面內層因而向內擠壓。球內氣體受到擠壓，壓力升高，溫度也急劇升高，當溫度達到需要的點火溫度時，球內氣體發生爆炸，產生大量熱能。這樣的爆炸每秒鐘發生三四次，并持續不斷地進行下去，釋放出的能量就可以達到百萬千瓦級的水平。這一理論的奠基人之一就是我國著名科學家王淦昌。

　　另一種就是磁力約束，由于原子核是帶正電的，那么我的磁場只要足夠強大，你就跑不出去，我建立一個環形的磁場，那么你就只能沿著磁力線的方向，沿著螺旋形運動，跑不出我的范圍，而在環形磁場之外的一點距離，我可以建立一個大型的換熱裝置（此時反應體的能量只能以熱輻射的方式傳到換熱體），然后再使用人類已經很熟悉的方法，把熱能轉換成電能就是了。

　　原理上雖然簡單，但是現有的激光束或粒子束所能達到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術上的問題，使慣性約束核聚變可望而不可及。

　　因此，眼下世界各國在受控核聚變研究上主要集中在磁力約束領域。

　　為了實現磁力約束，需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置，這種裝置就被稱作“托克馬克裝置”——TOKAMAK，也就是俄語中是由“環形”、“真空”、“磁”、“線圈”的字頭組成的縮寫。

　　早在1954年，在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一個托卡馬克裝置。

　　進展貌似很順利，其實不然，因為要想能夠投入實際使用，必須使得輸入裝置的能量遠遠小于輸出的能量才行，我們稱作能量增益因子——Q值。

　　當時的托卡馬克裝置是個很不穩定的東西，搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯才在改進了很多次的托卡馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出，不過要用當時最高級設備才能測出來，Q值大約是10億分之一。

　　別小看這個十億分之一，這使得全世界看到了希望，于是全世界都在這種激勵下大干快上，紛紛建設起自己的大型托卡馬克裝置，歐洲建設了聯合環JET，蘇聯建設了T20（后來縮水成了T15，線圈小了。但是上了超導），日本的JT60和美國的TFTR（托卡馬克聚變實驗反應器的縮寫）。

　　這些托卡馬克裝置一次次把能量增益因子（Q）值的紀錄刷新。

　　1991年歐洲的聯合環實現了核聚變史上第一次氘－氚運行實驗，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚變反應持續了2秒鐘，獲得了0.17萬千瓦輸出功率，Q值達0.12。

　　1993年，美國在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，Q值達到了0.28。

　　1997年9月，聯合歐洲環創1.29萬千瓦的世界紀錄。Q值達0.60。持續了2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦，Q值達到0.65。

　　三個月以后，日本的JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗。換算到氘－氚反應。Q值可以達到1。后來。Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大于1，盡管氘氘反應是不能實用的，但是托卡馬克理論上可以真正產生能量了。

　　在這個大環境下。中國也不例外，在70年代就建設了數個實驗托卡馬克裝置——環流一號（HL1）和CT6，后來又建設了HT6，HT6B，以及改建了HL1M，新建了環流2號。

　　有種說法，說中國的托卡馬克裝置研究是從俄羅斯贈送設備開始的，這是不對的，HT6/HL1的建設都早于俄羅斯贈送的HT7系統。

　　HT7以前，中國的幾個設備都是冇普通的托卡馬克裝置，而俄羅斯贈送的HT7則是中國第一個“超導托卡馬克”裝置。

　　那什么是“超托卡馬克裝置”呢？

　　回過頭來說，托卡馬克裝置的核心就是磁場，要產生磁場就要用線圈，就要通電，有線圈就有導線，有導線就有電阻。托卡馬克裝置越接近實用就要越強的磁場，就要給導線通過越大的電流，這個時候，導線里的電阻就出現了，電阻使得線圈的效率降低，同時限制通過大的電流，不能產生足夠的磁場，托卡馬克貌似走到了盡頭。

　　幸好，超導技術的發展使得托卡馬克峰回路轉，只要把線圈做成超導體，理論上就可以解決大電流和損耗的問題，于是，使用超導線圈的托卡馬克裝置就誕生了，這就是超托卡馬克。

　　目前為止，世界上有4個國家有各自的大型超托卡馬克裝置，法國的Tore－Supra，俄羅斯的T15，日本的JT60U，和中國的EAST。

　　除了EAST以外，其他四個大概都只能叫“準超托卡馬克”，它們的水平線圈是超導的，垂直線圈則是常規的，因此還是會受到電阻的困擾。此外他們三個的線圈截面都是圓形的，而為了增加反應體的容積，EAST則第一次嘗試做成了非圓型截面。此外，在建的還有德國的螺旋石7，規模比EAST大，但是技術水平差不多。

　　由于可控核聚變項目研究所需的巨額成本，任何一個單一國家都很難獨立承擔，因此，從1985年開始，由蘇聯、美國、日本和歐共體共同提出，聯合出資建立世界上第一個試驗用的聚變反應堆（ITER)。（注意：ITER已經不是托卡馬克裝置了，而是試驗反應堆，這是一大進步）

　　最初方案是2010年建成一個實驗堆，實現1500兆瓦功率輸出，造價100億美元。

　　沒想到因為各國想法不同，又恰逢蘇聯解體，加上技術手段的限制，一直到了2000年也沒有結果，其間美國中途退出，ITER出現胎死腹中的危險。

　　直到2003年，能源危機加劇，各國又重視起來，首先是中國宣布加入了ITER計劃，歐洲、日本和俄羅斯自然很高興，隨后美國宣布重返計劃。緊接著，韓國和印度也宣布加入。

　　2005年ITER正式立項，地點在法國的卡達拉申，基本設計不變，力爭2015年前全面完成，造價120億美元，歐盟出40，法、中、日、美各出10，剩下的想讓別人平攤，但韓國印度不干，力爭讓俄國也出10，自己出5，最終美、日、俄、中、韓、印各出約9。

　　ITER拉丁語含義為“道路”，可見大家對這個東西抱有多大的希望。很有可能，她就是人類解決能源問題的“道路”。

　　如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技術，設計和建造示范商用堆，到那時，離真正的商業核聚變發電就不遠了。但是ITER建設中，還有大量的技術問題需要解決，需要有一個原型可以參考，在此基礎上，各國的先進超導托卡馬克裝置就成了設計ITER的藍本。

　　當然了，ITER的研究遠非一個托卡馬克裝置，它還有很多難題需要攻克。

　　這里就要說一下Q值（輸出功率與輸入功率之比）問題，目前世界各國普遍能將Q值做到1.5以上，但還有兩個難題，目前各國都還沒有解決。

　　第一就是持續不間斷地提供高溫所需的能量。Q值1.5意味著：產出150噸TNT當量的能量，就要投入100噸TNT當量的能量，而且還是持續的！就像大片里的那樣：一臺科幻設備一開動，整個城市的燈都滅了。

　　第二，即使能夠持續供電，但你投入的是1個電，而它產生的卻是1.5的熱及輻射等。而把它轉化成電的話，如果轉化率小于66，還是虧了。目前全球在這一技術上還沒有突破。

　　因此，對人們而言，可控核聚變原理和方案都具備，最困難的在于工程技術方面，而這個恰恰是鋼镚最為擅長的。

　　這也是陳新為什么有信心制造出世界上首臺可以商業化運營的劇變反應堆的原因之一。

　　比如，為了獲得強磁場，世界各國普遍采用超導線圈來約束高溫等離子體，但是人類現有超導材料只能維持在零下一百多度呈現出超導性，他們必須將磁體系統浸泡在液氦之中，這樣一來，不但增加了聚變堆的建設成本，而且聚變堆的小型化也受到了極大的限制。

　　此外，像高頻電流點火，大功率激光點火，這些都需要新一代的材料工藝支持。

　　但對鋼镚而言就無所謂了，它現在可以將鉈、鋇、鈣、銅、氧等元素結合起來，制造出一種臨界溫度達到340K的常溫超導體，即在地球上百分之九十九以上的地區，這種材料都能在裸露狀態下實現超導性。

　　至于核聚變反應點火時所需的高頻電流、大功率激光器，那更是小菜一碟了。