【康沃真空網】能源作為人類生存和發展的必要條件，一直是科研領域的重要課題。人類目前所使用的化石能源，因無節制地開采和利用終將枯竭。而綠色能源如水能、太陽能、風能、潮汐能，也只能間歇性獲取，不能滿足人類的巨大需求。面對能源危機，是否有一種可以獲取無限能量的方法呢？核聚變的出現，讓我們看到了人類能源的未來。
近些年，核聚變已成為全世界科學聚焦領域之一，各國媒體對于核聚變的報道與討論也是越來越多。但是許多人對它仍然很陌生，將其與核電站、原子彈劃等號。
今天我們就來說一說什么是核聚變？它為何如此重要？以及真空技術在核聚變中起到了怎樣的作用？
在介紹核聚變之前，我們先來認識一下它的“兄弟”——核裂變。
什么是核裂變
上文所說的核電站發電，及原子彈的爆發，其能量來源都是核裂變。它是指由重的原子核（主要是指鈾核或钚核）分裂成兩個或多個質量較小的原子的一種核反應形式。
通過用中子轟擊鈾同位素U-235引發裂變。當這些中子撞擊U-235原子時，它們會釋放出2到4個中子，這些中子再去撞擊更多的U-235從而形成鏈式反應。這個過程會釋放大量的可用能量，還可以產生電磁輻射。
核裂變反應堆設計
裂變反應堆的功能與傳統發電廠相同。裂變發生在反應堆容器中，由控制棒控制。反應產生的熱量用于加熱水并產生蒸汽。然后這些蒸汽轉動渦輪機進行發電。由于使用過的核廢料具有放射性并且半衰期超過10000年，因此需要對核廢料進行安全處理。這不僅增加了后期的成本，也會有一定的危害性。
為了制造核裂變燃料，首先需要進行濃縮：將U-235的濃度從鈾礦石中天然存在的0.7%提高到裂變過程所需的4-5%。這需要使用離心機將鈾礦石轉化為UF6氣體，然后經過濃縮轉化為燃料芯塊。當然，整個離心過程需要在特定的真空環境下完成。
如今，有約440座核反應堆在33個國家運行。這些反應堆產生了世界上大約10%的電力。此外，約有55座核動力反應堆正在建設中。鈾礦石來自10個國家，其能量密度是化石燃料的70000倍。而建造一座核電站的成本預估在20到200億美元不等。
什么是核聚變
核聚變是一項發展中的技術，它的出現將徹底打破能源生產的現狀，屬于當前科學研究的前沿領域。
在核聚變過程中，兩個輕原子在極高的溫度和壓力下讓核外電子擺脫原子核的束縛，使兩個原子核互相吸引碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦）。由于中子不帶電，所以中子在整個碰撞過程中會逃離原子核的束縛，大量電子和中子的釋放會產生巨大能量。這就是核聚變的能量來源。
人類現階段研究的是技術難度相對較低的第一代核聚變，所使用的原料就是氫的兩個同位素，氘和氚。理想的一代聚變反應使用氘和氚的50:50混合物（如下圖反應3）。然而，氚在自然界中很稀有，因為氚是一種放射性元素，且它的半衰期很短，只有12.43年，所以它不能在自然界中長期保存，自然界中也沒有可以合成氚的條件，所以氚必須人工生產。人工生產氚成本十分高昂。目前核聚變裝置僅使用氘來進行（反應1和2），因為地球上的氘很豐富，每升海水之中就含有0.03克的氘，所以可以極大降低聚變反應的成本。
核聚變能源為何還沒實現
其實，人類已經實現了氘氚核聚變——氫彈爆炸，但那是不可控制的瞬間能量釋放，人類更需要受控核聚變。目前開展的受控核聚變研究正是致力于實現聚變能的和平利用。
受控熱核聚變能的研究主要有兩種：磁約束核聚變和慣性約束核聚變。磁約束核聚變（MCF）由環形真空室和環形線圈組成，在通電時產生巨大的螺旋磁場，它是利用強磁場可很好地約束帶電粒子的特性，將氘氚氣體約束在真空磁容器中并加熱至數億攝氏度高溫，以達到核聚變的目的。
托卡馬克（Tokamak）是前蘇聯科學家于20世紀50年代發明的環形磁約束受控核聚變實驗裝置。經過近半個世紀的努力，在托卡馬克上產生聚變能的科學可行性已被證實，但相關結果都是以短脈沖形式產生的，與實際反應堆的連續運行有較大距離。實現核聚變發電的兩大難點是如何實現上億度點火和穩定長時間約束控制。
2021年12月30日，我國研制的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）實現7000萬℃高溫下1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，突破千秒大關，是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。點擊圖片了解更多托卡馬克知識及我國相關的研究進展。
慣性約束核聚變（ICF）是利用超高強度的激光在極短的時間內輻照氘氚靶來實現聚變，把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入氘氚靶內。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓，氘氚靶內的氘和氚受擠壓而壓力升高，并伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度時，氘和氚便會在真空反應室中發生爆炸，產生的蒸汽熱量轉化為熱能，產生的氚可作為新燃料循環利用。這種爆炸過程時間很短，只有幾萬億分之一秒。如果這種爆炸連續不斷地進行下去，所釋放出的能量將不可限量。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory - LLNL）構想的激光慣性約束核聚變反應堆示意圖
核聚變的優勢
與碳氫化合物來源相比，聚變的主要優點是燃料豐富，沒有溫室氣體等有害副產品。與核裂變相比，核聚變具有如下優勢：
丨雖然聚變反應會釋放出對人類有危險的中子，但這些中子是被控制住的，而且一旦電廠關閉，中子的產生就會停止。
丨核聚變本質上更安全更可控，因為不會出現鏈式反應、失控或熔毀。
丨核聚變會導致極端溫度，但如果有任何等離子體逸出，其熱量就會迅速消散不會造成人員傷害。
丨雖然核聚變確實會產生放射性核廢物，但這種放射性是短暫的，尤其是與裂變產生的核廢物相比。
丨通過核聚變產生的廢物不需要安全處理、儲存或再加工。
真空技術在核聚變中的應用
磁約束核聚變過程中的真空應用：
丨真空室：真空室內需要達到超高真空度，防止等離子體污染；
丨低溫：低溫恒溫器等冷卻系統本身需要真空；
丨氚生產：氚通過中子與鋰碰撞產生，需要真空環境和充入冷卻氣體。中子也由裂變反應或線性加速器產生，它們也需要真空才能運行；
丨等離子加熱：中性束注入系統需要真空來加熱等離子；
丨真空測試：設備在真空下使用除氣裝置和檢漏儀等工具進行測試；
丨壓力表和儀表：用于監測設備與裝置的性能；
丨再循環：未使用的燃料和氦氣從腔室中抽出，分離并再循環。
麻省理工學院的阿爾卡特C-Mod裝置內部真空腔體
慣性約束核聚變過程中的真空應用：
丨反應室：反應室需要達到超高真空度，防止等離子體污染；
丨目標定位：瞄準燃料的激光系統需要在真空條件下運行，以防止光束線的損耗和畸變；
丨空間過濾器：用于“清理”激光束的空間過濾器需要在真空條件下發揮作用；
丨壓力表和儀表：用于監測設備與裝置的性能。
對于核聚變來說，選擇真空設備的關鍵與氚的屬性有關，這意味著要首選金屬密封件，并且泵內不能含有碳氫化合物。磁約束核聚變所運用的真空泵還必須能夠在高磁場和強輻射下運行。慣性約束核聚變的反應室周圍空間非常有限，停機成本非常高，因此泵體必須占用較小的空間。核聚變反應裝置多采用渦輪分子泵和低溫泵作為真空獲得設備。
核聚變的未來
關于何時能夠實現可控核聚變技術現在仍存在爭議，有的學者樂觀估計周期為10到20年。因為世界各地的核聚變項目已經開始有了實質性的進展。近期，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員完成了一項慣性約束核聚變實驗，并獲取了超過1.3兆焦耳的能量，這成為實現核聚變點火的關鍵一步。
核聚變與核裂變世界布局
如今在18個國家或地區，已有超過50臺正在運行或正在建造的核聚變裝置。一些非國家性質的公司研發團隊也在加緊開發中。由于核聚變燃料的能量密度高于核裂變，是化石燃料的約10000000倍，所以可控核聚變技術的到來，將重塑能源生產的未來。
