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高的温度意味着很高的内能。很高的内能意味着将出现各种各样的能量丧失机制。两种聚变方式都要解决各种各样的不稳定性问题。磁约束中的不稳定性控制不住的话，等离子会撞上容器，损坏设备。惯性约束中的不稳定性更不好控制，结果是能量无法集中，温度升不到点火温度，但不会产生破坏。各种不稳定性性质和来源都不同。举个例子，说明不稳定性如何难以控制。我们拿一根小管子一半浸入水中，用手指堵住上面开口，将管子提出水面，如果管子半径小，水能够保持在管子里面。如果用稍微大一点的管子，水还是能留在管内，如果我们不停增大管子半径，如果没有任何扰动，原则上大管子里面的水应该像小管子里面一样，被大气压支持在管内。可实际上，如果管子大到一定程度，就不能像小管那样，让水待在里面。因为只要水面有一点点扰动，它就会流出来。有人可能会认为这是表面张力引起的，实际不是。在下端为凸表面的情况下，表面张力能够维持较小高度的水柱。松开手指就会发现这一点。水管粗了之后，表面张力的影响就可以忽略了。
除了不稳定性外，还有很多技术上的困难。比如磁约束中，高温等离子会从容器壁上打下一些碎片，一两毫克大小的碎片进入中心等离子体就会完全破坏等离子体，而根据估计，ＩＴＥＲ大小的装置一年内会打下几百公斤容器壁材料，足以产生几亿次破坏。
正常运行的聚变堆将有很多中子，这些中子将活化和嬗变部分材料。产生约束磁场的线圈是超导的，必须冷却到热力学温度４开左右，超导体对中子的加热和活化都非常敏感。如何在高中子通量中保护超导体是一个难题。氘氚聚变释放的能量主要体现为中子的动能，高能中子对壁的破坏很大，现在还没有任何一种材料可以承受商用聚变堆中子照射一年以上。氢和氦在材料中的沉积也将导致材料的破坏。这些问题现在还无法解决。由于还没有一个运行的聚变堆，聚变堆究竟能不能稳定运行，装置材料可以支撑多久，都还不知道。另外，由于目前条件下超导材料能产生的磁场是有限的，能约束的等离子体密度就受到限制，聚变堆要提高功率只能增大体积，也就是增大装置尺寸，这样装置的成本就非常高。这也是ＩＴＥＲ计划需要国际合作的原因。
惯性聚变也有自己的问题。主要的有激光产生效率过低，光学器件损伤，重复频率低等。在美国国家点火装置（ＮＩＦ）中，一次试验需要消耗电容器中存储的４００兆焦尔能量，这些能量转换成４兆焦尔的红外激光，倍频之后变成１。６兆焦的紫外激光。也就是说，从电能到激光的效率只有０。４％。这样，激光到聚变的功率增益至少要达到２５０倍，考虑发电效率，要７５０倍左右，装置才能基本平衡自己的能量消耗。而目前这个增益只有千分之一。激光聚变中的精密光学器件非常昂贵，高能量激光的通过，实验产生的小爆炸都容易损坏这些器件。
不稳定性控制问题是基本科学问题，不解决就无法有效地约束等离子体。材料问题是一个严峻的挑战，是聚变发电必须解决的问题。还有其它各种各样的技术挑战都需要找到解决办法，即使已经有技术路线，但现在还没有做出来。虽然比传统核能好得多，但聚变毕竟还是要涉及放射性，辐射环境给聚变制造了另一个大障碍。另外成本也是一个大问题，所有这些问题都使聚变研究困难重重。
聚变发电究竟还有多远？
无论是磁约束还是惯性约束，应该说，从理论的角度说，聚变发电是可以实现的，主要的技术障碍也在逐项消除。目前除了第一壁材料问题还不太确定之外，以前认为很难解决的一些问题，比如不稳定性问题，磁约束中的电流驱动问题，加热问题，等，原则上都不应该有问题，只是需要在计划的实验上演示验证。实际上，ＩＴＥＲ项目的正式目标就是为了示范托卡马克磁约束方案的科学和技术可行性。
磁约束聚变的方案有很多种，但目前主要集中在ＩＴＥＲ相关的研究中。这一项目在以后二三十年内的研究路线图已经确定，根据路线图，到２０１９年１１月，装置基本建成，可以产生和约束高密度的等离子体，各项系统可以工作，然后安装聚变反应条件下的冷却和真空系统，到２０２３年可以开始等离子实验，２０２７年开始短脉冲氘氚燃烧，２０２８年实现长脉冲全功率输出氘氚燃烧。也就是说，最迟到２０３０年左右，应该能够按计划实现磁约束聚变。但是要注意，ＩＴＥＲ只是一个研究堆，尚不能发电。该装置没有设计发电子系统，也加不上去。商业发电不在ＩＴＥＲ研究目标之内。各国将自行设计和建造自己的聚变发电装置。即使一切进展顺利，而且材料问题也得到解决，考虑到系统的复杂性和装置的建设周期，估计也还需要２０年时间才能建成能稳定运行的聚变电站。而经济性要达到可以接受的程度，并大规模取代其它能源，可能还需要二三十年时间。也就是说，大概还要６０到７０年时间，磁约束聚变能源才能大规模进入社会。如果再保守一点，从磁约束的角度来看，大致需要１００年时间，到下世纪初才能进入聚变能源时代。
惯性约束聚变方案目前还有好几种在竞争。由于惯性约束聚变相关研究，比如高功率脉冲技术，强激光技术，内爆研究，高温高密等离子体性质，高能量密度物理研究等都与军事关系密切，该领域的研究细节很多是保密的，相关研究单位也是国防研究单位。但在聚变能源研究方面，主要研究方案和研究结果还是很公开。目前走在最前面的是前面说过的美国ＮＩＦ装置。该装置投入的人力物力，能达到激光能量和聚变输出都是全世界最高的。如果到２０１２年底，ＮＩＦ如期实现１兆焦尔聚变能量输出，就从原理上证明了激光惯性聚变的可行性。下面只需要提高一些激光能量，改善靶丸设计，就可以将增益再提高两到三个量级，达到聚变发电需要的增益水平。
ＮＩＦ团队对计划目标相当自信。但由于ＮＩＦ也是一个研究装置，不可能实现发电，甚至不可能实现工程增益能量输出（数百兆焦尔），因为这样将破坏昂贵的实验装置。
ＮＩＦ的聚变发电计划ＬＩＦＥ（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｆｕｓｉｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ，激光惯性聚变能源）自２００８年首次在国际原子能机构举办的第２２届聚变能源大会上提出以来，已经进入细化设计和关键技术验证阶段，但基本路线从最初的混合堆方案转向以纯聚变方案为主。在ＬＩＦＥ中，激光聚变一直备受质疑的关键技术难点，比如激光重复频率问题，靶丸结构和生产问题，末端光学器件的破坏问题，反应室清理问题，等等，都有了很好的考虑。ＬＩＦＥ纯聚变方案中，反应室是模块化的，可以现场生产组装，整体更换，从而大大降低了对第一壁材料的要求。另外，反应室充有低压气体，反应室第一壁有一定的保护。从发电成本来看，装置功率越大，经济性越好。如果聚变堆发电功率为１００万千瓦，则每度电成本为６美分，约合人民币４毛钱，与其它常规能源差不多。
混合堆方案是指用聚变产生的高能中子照射裂变材料（主要是常规裂变反应堆不能直接燃烧的铀２３８和钍２３２），引起它们裂变，将总能量输出放大数倍，从而降低聚变部分的增益要求。聚变－裂变混合堆对聚变功率输出的要求比纯聚变堆低，所以大家一度认为混合堆更容易实现，是聚变能源应用的第一步。但考虑到混合堆百分之八十以上的能源来自裂变，而裂变（即常规核能）的风险是大家非常忌讳的一个问题，混合堆由于其复杂性和工作原理，放射性的风险更难控制，一旦发生事故，危害比常规核能电站更大。混合堆的高放射性运行环境意味着系统一旦运行，就不可能维护。此外，困扰常规核能的衰变热问题，核扩散问题，都同样存在，甚至更严重。虽然还有不少人在研究混合堆，但从国际上主流研究机构的动向来看，该方案实际上不太可能付诸实施。
ＮＩＦ采用的是间接驱动，即用激光产生Ｘ光压缩靶丸内爆。美国也有用氟化氪准分子激光直接驱动的惯性聚变能源方案，其中的激光效率、驱动效率都要高一些。如果采用高增益的冲击点火方案，经济性更好。直接驱动对激光的对称性要求很高，这是该方案尚需解决的一个问题。此外，还有用脉冲电流驱动的箍缩内爆方案，重离子驱动方案等。脉冲电流驱动可以有很高的驱动能量，采用柱形内爆方案也可以得到比较高的驱动效率。
美国ＬＬＮＬ的科学家们认为他们的ＬＩＦＥ方案在１０到２０年内可以实现商业示范发电。相比而言，欧洲和日本的惯性约束聚变方案要保守一些，但也将计划定在２０到３０年之间。个人认为，这一时间框架可能是乐观了一点。再加上１０年到２０年做成倒是可能性很大。
虽然看起来现在离聚变发电距离还很远，但是与２０年前相比，现在的很多成就也是当时难以想象的，例如激光能量，激光校准，靶丸生产等。举一个靶丸跟踪定位的例子。激光聚变要求靶丸定位非常精确，允许的误差只有几个微米。但是靶丸要通过一支注入枪高速射入反应室。当靶丸正好走到激光汇聚点的时候，超高功率激光脉冲到达，点燃靶丸。这是非常难实现的，精心设计的注入枪只能达到几毫米的控制精度，比允许值大一千倍。但美国通用原子能公司（Ｇｅｎｅｒａｌ Ａｔｏｍｉｃｓ，ＧＡ）设计了一套弹丸注入与跟踪修正技术，用一套弱激光跟踪和调整靶丸运行轨迹，目前可以将弹丸定位在２８微米误差范围内。２０年后，激光聚变能不能发电，很难说。但是无疑我们会离目标更近。
磁约束聚变由于装置更加复杂，成本更高，需要找到紧贴高温等离子并承受高通量高能中子轰击的材料，需要的时间应该要多一些，究竟哪一种方案能够最先获得成功，现在还很难说。目前除了主流的几种方案外，还有几十种聚变能源方案在研究，甚至一种新的方案出现并获得成功的可能性也是有的，但可能性最大的无疑是上面说的几种。
未来会怎么样？
从前面说到的聚变的困难，和现在研究装置的实际情况，都可以预计聚变装置很大，很复杂。这就意味着聚变装置投入大，周期长。再考虑到还有很多技术没有验证，也还有一些问题没有解决，因此指望聚变发电短期内实现并担当世界能源重任是不现实的。但到目前为止，除了磁约束第一壁材料问题尚需明确之外，其它各种关键技术已经基本明朗。如果能够按照路线图顺利发展，２０到３０年内能够实现聚变发电。如果再保守一些，无论惯性约束还是磁约束，４０到５０年内实现聚变发电的可能性非常大，８０到１００年内应该能够大规模普及，再过５０到１００年成为社会的主要能量来源。
聚变能源需要建立一整套新的工业和技术体系，如高功率高重复频率激光器，大型超导线圈，抗极端辐照的材料，氚生产等，也需要培养大量相关人才，这些都需要时间。我们可能会认为４０年５０年很长，但对于人类历史来说，一两百年也只是短暂的一瞬。我们用火已经有几十万年了，煤、石油、天然气等化石能源的使用有一千多年历史，而大规模开发利用，成为社会主要能量来源只有两三百年。如果花一两百年过渡到聚变能源，可以保证人类以后非常长时间的生存和发展，付出再多的努力，都是值得的。当然，目前的能源形势已经很严峻了，那么这一两百年怎么办？一两百年内，世界的发展也不是很好预测，但是如果人类有足够的智慧，能够控制自身整体的行为，化石能源加可再生能源还是足够支持我们度过这段时间的。实在不行，如果我们愿意冒一点风险，在控制风险的前提下，还可以大量利用丰富的裂变核能。
一两百年内能进入聚变能源时代，是非常了不起的成就。这项成就的意义不仅仅是能源得到保障，而在于为人类下一次革命打下了基础。我们用火，得到了大量食物，拓展了生存空间，用化石能源拓展了自己的能力，完成了工业化、信息化。而一旦实现了聚变，再结合现在已经基本拥有的一些技术，我们可以获得独立于自然的生存能力。我们将能抵御大规模自然灾难，将能迈出地球，走向宇宙空间。地球历史上几十、几百、几千万年一轮回的大规模灾难曾经一遍又一遍地大规模灭绝地球的生命，这些将不再威胁人类整体的生存。
我们常把聚变堆比喻为人造太阳，主要是从它的工作原理来说的。这里其实隐含着一层更深刻的意义。因为我们也知道，太阳是生命之源，是万物之父，如果说地球是万物之母的话。如果我们造出了太阳，我们人类———作为地球生命的代表，就终于长大了、成熟了，可以离开父母，可以自立、自生、繁衍，去开拓新的天地。
转自《大学物理》雷奕安
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发表于 2013-5-28 20:56
楼主