核聚变：未来的动力...遥远的未来

啊，融合。长期承诺，无论是在《数学》上还是在现实生活中，融合都被视为人类的最终动力-圣杯-人类的“到来”。我听说融合的话题让人联想到绿色的田野，彩虹，兔…子和独角兽的景象。但是我开玩笑的话太刺耳了。与独角兽不同，聚变确实是一种惊人的强大能量源，它牢固地落在科幻小说鸿沟的现实一侧。确实，在实验室和最致命的炸弹中已经实现了融合（收支平衡）。另一方面，聚变已经作为核裂变的继承者而被积极地追求了60多年。我们距离实现梦想还有数十年的时间，使许多人想知道这到底是什么“梦想”。

我们迄今为止的破灭期望似乎与我们的进步感不符。1890年出生的人会看到马让汽车，飞机飞向天空，无线电，电视和计算机的发明，核裂变的发展，甚至到79岁时人类在月球上行走。任何人都可以推断出一条轨迹，这种轨迹使融合将在任何一天到来—连同火星上的殖民地。但是我们再也不能买到以超音速飞越大西洋的机票了，而且美国不再具有载人航天能力。即便如此，融合在许多人看来仍然“指日可待”。

我对延迟的预测表示同情，而且融合数十年来一直未能实现其“指日可待”的承诺，但这并不意味着它永远不会到来。我可以将其与马尔萨斯的洞察力相提并论，即人口指数增长是在农业能力有限的碰撞过程中进行的，或者与各种关于崩塌的警告相提并论。仅仅因为尚未满足这些预测并不意味着它们将不会有一天。实际上，这两个不同的预测是相关的。如果我们能够在本世纪强制化石燃料过渡期间设法将其团结在一起并保持高科技文明，那么我们很可能将采用融合技术。另一方面，如果我们超调和崩溃，我们可能下降得太远而无法在本世纪切实地寻求融合。

数字融合

融合到底是什么？让我们用数字来解决。我们在核裂变的文章中看到，允许像铀这样的重核分裂成两个类似的碎片，导致合成的质量之和小于初始质量。根据E = mc，缺少的质量作为（动能）Δ能²量出现Δ，其中m是质量的变化，而c≈ 3108× m / s是光速。从本质上讲，一些释放出重核的核结合能（实际上减少了核的净质量）已被释放。

为了更好地理解这一点，请考虑以下事实：单个中子的质量为1.08665原子质量单位（amu：1.661027×千−克）和一个中性氢原子（一个质子加一个电子，再减去琐碎的电磁结合能：十亿分之14），其质量为1.007825 amu。要制造235U，我们需要92个氢原子，添加143个中子，然后搅拌。不考虑核结合能，总和为236.96 amu。但是中性235U原子的质量为235.044 amu。1.92 amu的“缺失”是通过构建（融合）该集合而释放的核能。

这样想：当原子核抓住一个通过的中子时，致命的核夹持力将中子撞击到原子核中，并瞬间赋予它动能。最初，原子核像果冻一样处于激发态，然后释放出这种能量（通过伽马射线或处于β衰变中的快速电子）释放回世界。在释放这种能量时，其质量必须按照爱因斯坦最著名的关系递减。这样，每个添加的核子（质子或中子）都会将其直接质量贡献给核，但平均会减去约0.008 amu的结合能-实际上仅重0.992 amu-a-pop。

评估聚变和裂变过程中固有的能量获取至关重要的是每个核子的结合能图。下图以MeV为单位绘制每个核子的结合能，其中1 MeV =× 1.61013− J，通过E = mc等于0.00107 amu。²或者，粗略地说，1 MeV是单个核子质量的千分之一。该图的水平轴是原子核中的核子总数（质子加中子）。

与组成质量的笨拙总和相比，较高的结合能转化为较小的净质量。因此，曲线越高，构建该核的能量就越多。铁位于最上层（邻居中有很多公司像镍一样）。在左侧，将碎片加在一起就构成了净能量获取（融合），而在右侧，必须将核子撕开（裂变）才能爬上山。因此，据说聚变为小于铁的原子产生了净能量，而裂变为比铁重的原子产生了能量。

但让我们进一步说明这一点。例如，如果我尝试将8.71 MeV / nuc的86Kr拆分为两个8.60 MeV / nuc的43Ca原子，那么我还没有爬上结合能峰。实际上，在裂变为两等分之前，一个质量数必须大于100，才能释放出净能量。但是，鉴于仅有三个易受中子慢速裂变影响的核具有233、235和239个核，这一点几乎毫无意义，远高于能量获取的阈值。

您现在可能已经注意到，如果爬山是获得能量的目标，那么我们在左侧（融合）侧的可用爬坡比右侧（裂变）侧的可用爬坡更多。特别要注意的是，4He恰好位于本地峰值附近。4他是如此紧密地结合着原子核，以至于经历放射性衰变的重原子核经常会弹出这些硬核中的一个，就像拳击手吐出一颗牙齿一样，称为α衰变。例如，238U在变成206Pb的过程中通常会吐出8个“牙齿”和6个电子（β）。无论如何，4He在原子核中是唯一的，并具有α粒子的特殊名称。

例如，由于我们的太阳非常有天赋，所以用四个质子来构建4He核，我们将获得28.3 MeV（7.07 MeV / nuc乘以四个核子）。次优的方法是从两个氘核（2H或D）开始构建4He。在这种情况下，我们从以1.112 MeV / nuc结合的两个原子核（每个原子核乘以两个；然后以两个氘核乘以4.45 MeV的总和）到28.3 MeV，总爬升为23.85 MeV。还是很不错的：从D开始的惩罚不多。另一个相关的出发点是将D与tri（3H或T）结合起来，弹出不需要的中子。在这种情况下，我们从总计7.88 MeV开始，净爬升为20.4 MeV。

与裂变相比，裂变每个裂隙释放约200 MeV的能量，这种聚变物质似乎比较薄弱-当我们在结合能图上观察较陡的聚变斜率时，似乎从聚变中脱颖而出。差异是涉及的核子数量。在7.5U核裂变的235U核裂变柱中，该实例被镜像，以大约8.4MeV /核的强度分成97Rb和137Cs。尽管斜率微不足道（仅0.8 MeV / nuc步长），但乘以核子数可得到978.4 + 1378.4 2357.6 =× 180 MeV的结×合−能×增益。

以质量或每个核子为基础，聚变是不折不扣的：一克氘产生1012 J能量，即2.75亿千卡。裂变产生相对较小的每克235U 2000万大卡。因此，融合的效力是其十倍以上。请记住，化石燃料中的化学能上限为10 kcal / g。请注意，明显缺少百万这个词。那么，在能源规模上，任何一种形式的核都比化学能强大得多。

融合燃料选项

我们可以生产所需燃料的两种聚变方案是D-D和D-T，涉及氘和/或tri。氘包含0.0115％的天然氢，因此富含任何含氢的物质，例如水。另一方面，t在自然界中几乎不存在，因为it不稳定且衰变半衰期为12.3年。但是，碰巧的是，对D-T融合的要求比对D-D的要求要少得多，因此当前的所有努力都集中在没有自然资源可用的技术上。

好吧，所以尖尖的脑袋不傻。有一种方法可以通过用中子撞击锂（6Li或7Li）并敲除4He齿来留下3H或4H（在后一种情况下迅速滴落中子变成to）来生成3H。

我认为在考虑这种恶臭时参考核素图表会有所帮助。这是图表的底端，基本上是周期表的物理学家版本。

中子的数量从左到右增加，质子的数量垂直增加。因此，例如，所有氦原子核将在同一行上。灰色阴影表示核稳定（超过宇宙年龄稳定），浅蓝色为半稳定，而黄色则较小。每个块包含原子核/同位素的名称，分数丰度（如果稳定），半衰期（如果不稳定），以原子质量单位表示的中性原子的质量以及衰变路径（箭头）。衰减可以是β减（蓝色，过渡到左上），β增强（品红色到右下），alpha（黄色长箭头到左下方），中子滴（绿色箭头到左）或质子滴（红色箭头）下）这是国际象棋棋盘规则。顺便提及，可以从每个嵌段中的质量数重建结合能。

我们可以使用图表来遵循两种反应类型：

D + D→ 4He

D-D反应非常简单。将两个原子核（每个原子核带有一个质子和一个中子）结合在一起，结果得到两个质子和两个中子。讨价还价中没有额外的中子产生。

对于D-T，我们必须首先从两种锂的口味中创建create：

6Li + n→ 4He + T，或

7Li + n→ 4He + 4H→ 4He + T + n

在这两种情况下，“衰变”链都不是自然的，而是在撞击中被震撼了。通常，在6Li中添加一个中子只会产生稳定的7Li，而在7Li中添加一个中子则会生成8Li，其β衰变到8Be大约一秒，然后立即分裂成两个α粒子（4He）。但是在击沉模式下，一个人会产生tri，可能会产生一个额外的中子，这取决于所用锂的同位素。然后我们有：

D + T→ 5He→ 4He + n

注意额外的中子。这很方便，因为我们需要中子将锂转换为tri。但也请注意，使用7Li可以在D-T反应中生成两个中子，而6Li只能生成一个中子。中子会由于其他寄生原因而丢失，因此周围容易产生多余的东西。另一方面，安全壳捕获的中子使其具有放射性，并且还会破坏其结构完整性，因此我们要小心有多少个中子。不幸的是，天然锂的7Li含量为92.4％，因此调整6Li / 7Li的混合物以提供临界数量的中子意味着在前端增加了某种锂。

我们没有完全用锂来游泳，那么我们选这匹马做得不好吗？每个转化为tri的锂原子最终将产生约20 MeV的热能，因此我们每年需要×1.31032个Li原子才能产生41020 J的世界能×耗。这就是说，每年约1500吨锂，约占当前锂的5％。生产。根据U.S.G.S.矿物商品摘要。

为了娱乐，让我们看看每个人每年需要提供多少水以提供足够的氘。美国人平均需要10,000 W的连续功率，或×每年31011 J的能量。每个w击以20 MeV计，每个人每年需要1023次反应。在D-D情况下（要求氘是D-T的两倍），这意味着我们需要21023×个氘原子-来×自21027个氢原子，其比例为0.01％。听起来很多，但它有3,300摩尔，相当于60公斤普通水。60升的水量与典型的美国淋浴器中使用的水量相似。很难充分强调氘的可用性没有问题的程度：海洋中有足够的氘来提供我们数十亿年的当前能源需求。

我认为现在您已经看到融合使我们的眼睛闪烁的原因的很大一部分。即使在锂的限制下，我也将D-D和D-T融合置于“大量”盒子中。

是什么使融合变得困难

我们与融合之间存在一个简单的障碍。它称为库仑屏障。质子由于彼此的正电荷和伴随的静电排斥，不愿靠近。在强大的核力量压倒库仑投票之−前，它们必须非常接近-大约1015 m。即使在完美的碰撞过程中，两个质子也必须具有每秒2000万米的闭合速度（光速的7％）才能彼此相距−1015 m以内，相当于约50亿度的温度！即使速度足够快，稍微的不对准也会导致排斥的二重奏偏离路线，甚至不会与接触调情。量子隧穿可能会减少一点优势，可能需要少两倍的能量/亲和力，但同样，其束缚素很难使质子聚集在一起。

然而，我们的Sun设法做到了这一点，其核心仅1600万度。它如何设法获利？卷。根据温度，太阳中的质子以各种速度运动。尽管典型速度太小而无法击败库仑势垒，但速度分布曲线尾部的某些速度恶魔确实具有必要的能量。在大量的太阳核心中，它们足够多，偶尔会碰到并锁在一起。质子之一必须迅速地将β+衰变成中子并变幻莫测，我们有氘核！然后氘核会碰撞而产生氦气（也遵循其他通往氦气的路径）。快速而粗略的计算表明，我们需要每秒大约1038次“粘性”碰撞来保持太阳的运行，而在核心内部，我们每秒需要大约1064次碰撞/相互作用，这意味着1026次碰撞中只有一次碰撞是成功的融合事件。

氘核比单质子更容易撞到对方，主要是因为它们的物理尺寸更大。实际上，氘核相对较弱的结合力使其比更紧密结合的tri核（去tri子！）更膨松。在给定的温度下，质子的移动速度将比质子慢，而tri的移动速度将比氘子慢。所有的香精都包含一个质子，因此彼此施加相同的排斥力，但是额外的中子增加的惯性恰好抵消了较慢的速度，因此每种香精通过库仑壁垒运输的可能性相同。然后留下大小。氘核比tri核大，因此D-D颠簸比D-T颠簸更为普遍。

但是有一个陷阱。D和T一接触，它们就会粘在一起。相反，当D接触D时，必须发射光子（光）以使其粘附，通常不会发生这种情况。因此，可以说D-T的熔合截面比D-D大。对于D-D融合，估计达到融合所需的临界温度为4亿开尔文，对于D-T品种，估计为4500万K。但是这些温度阈值取决于所涉及的等离子体的密度，因此不应被认为是一成不变的。尽管如此，我们仍然需要聚变反应堆比太阳中心更热，因为我们没有太阳芯所拥有的体积和密度的奢侈。这个事实会让你停顿吗？

禁闭

克服库仑势垒需要巨大的颗粒动能，转化为巨大的温度-远远超出任何容器的容纳能力。没有一种材料能够抵抗超过5000 K的熔化。5000万度甚至都不有趣。

在这样的温度/能量下，电子无法保持其飞行状态，因此我们以这种方式获得了一个完全电离的等离子体拉链。例如，在1亿度时，氘核的平均速度约为每秒一百万米。放任不管，等离子体将在0.1毫秒内爆炸到足球场的大小。回想一下，如果没有这些可笑的速度我们就无法融合，因此在没有Ritalin的帮助下就不得不赶集这些超快粒子。已经发现，在所需温度下的等离子体由于我们无法驯服的湍流而变得不稳定。根据我的同事乔治·富勒（George Fuller）的说法，这就像打a鼠般的游戏：抑制一种讨厌的行为，然后弹出另一种讨厌的行为。

当今世界上追求的主要方案是在称为托卡马克的等离子体安全壳中进行磁约束。带电粒子在磁场中跟随弧形弯曲，因此强磁场将粒子路径限制为紧密卷曲。路径的半径与粒子速度成正比，粒子速度在热等离子体中跨越很大范围的值。一个磁场必须产生足够强的磁场以容纳速度分布的快速尾部，否则等离子体在高速端会发生泄漏，并很快耗尽自身。每次粒子碰撞都会重置速度，因此不断泄漏的快速尾巴会不断出现。在场强为10特斯拉（可达到上端附近）时，5000万K的平均速度氘核的路径半径为2 mm。国际热核实验反应堆ITER是在国际支持下在法国建造的托卡马克设计。目前的时间表要求在2026年实现480秒钟的500 MW电力爆发，尽管没有计划收集产生的热量用于发电（请注意项目名称中的“实验性”）。

另一种主要方案放弃了试图将血浆限制在某种稳态下的做法，而是遵循类似于聚变炸弹背后原理的路径：将燃料内爆强加到极高的密度和温度，并使被诅咒的物体爆炸。该方案被称为惯性约束，因为人们依靠内爆的惯性将核紧密结合在一起。在美国，国家点火装置（NIF）将192个高功率激光束聚焦到一个小颗粒上，以启动对称紧缩。发电厂的想法是将粒料一个接一个地装载，引爆，并收集废热以产生蒸汽。据我所知，目前还没有计划利用NIF产生的任何热量-就像ITER一样进行实验。

美中不足

如果ITER实验能够遵守其时间表和预计的预算，到2026年将花费约200亿美元来建造和生产未利用的火力发电厂。我应该指出，大多数大型实验项目的进度都有所拖延，如果融合实验违反了这一趋势，那将是一个非常讽刺的讽刺！无论如何，我们可以想像再过几十年，商业融合才暂时进入现场，使我们进入本世纪中叶。这些项目无疑将是非常昂贵的，需要最高水平的专业知识的密切参与，并且在投资者看到盈利记录之前（如果有的话）可能不会大有作为。所以多数民众赞成在第一：长期看。

第二飞是D-T聚变必然涉及中子，中子对磁或静电的约束没有反应，因此会扩散到安全壳壁上。这样做，它们会撞到组成血管的原子，使它们在晶格内错位并造成结构破坏。安全壳的完整性将像日光下的塑料一样退化。来自D-T反应堆的中子通量明显高于常规裂变反应堆的中子通量。

第三次飞行也与中子有关：中子在安全壳壁中受损后，将与一个饱满丰满的原子核结婚并安定下来。但是婚姻通常是放射性的，因此容器会变得放射性“炽热”。在裂变中，每产生200 MeV，我们就会得到两个放射性子体。对于DT聚变，如果我们能够利用大多数中子将锂转化为t（并使用富集的6Li），则每20 MeV反应我们可能损失不到0.2个中子（纯粹的，我不为人知的猜测） ，即每单位能量产生的放射性产物数量相同。但是，至少对于容器壁的材料选择可以对放射性产品的危害性进行一些控制，而与裂变的随机性不同。总而言之，尽管半衰期较短，但D-T聚变反应堆的放射性收费可能与裂变反应堆的放射性收费相当。

然后就有实现融合的极其挑剔的性质。使某件东西在实验室中工作与使其可靠地运行多年有很大不同。与最佳条件的任何重大偏离都将导致融合产率下降。ITER的热输出目标是输入能量的十倍。在最终的自运行模式下，以电形式吸收10％的输出功率需要拉出约30％的热功率来运行热力发电机。这使净能量增加了3：1，如果这些年来没有保持最佳状态，它可能会迅速转变为净能量消耗。

另一个可能的问题是，用于产生极限磁场的超导磁体可能会失去低温冷却，“恢复正常”并爆炸。爆炸损坏了托卡马克，可能导致向环境的放射性释放。即使发生的可能性很小，我们通常也会花很大的钱来减轻低概率灾难性事件的发生，因此可能会需要大量昂贵的收容措施。

每一次苍蝇都会转化为成本。最后，目前尚不清楚，即使经过了物理改造，聚变工厂是否在经济上可行，是否足以吸引投资者进行规模，复杂性和风险的投资。

太阳的观点

观看融合电视节目后的几天，我步行去公交车时顿悟。为什么我们迷恋融合？因为燃料供应实际上是无限的；高能学代表了物理学必须提供的缩影。主要发射是有用的氦气；放射性废物的寿命比裂变寿命短（该死吗？融合工厂可能位于任何地方；当然，它距离翘曲驱动器更近了一步。但是后来我意识到，太阳（作为自己的聚变反应堆）还提供了数十亿年的能源，远远超出了我们目前的需求。我的冰箱和其他电器已经通过此来源在我家中适度安装的PV /电池中运行。我个人不能忽略未来技术的承诺与我的屋顶技术之间的不对称性！如果我们取消了太阳能存储壁垒，聚变仍会被视为圣杯吗？

这提示了两个问题。首先，用于聚变研究和电池/存储研究的相对资金支出是多少？其次，融合带来的吸引力有哪些？

粗略的调查显示，美国每年在NIF上花费约4.5亿美元，向ITER每年花费约3200万美元（尽管在2014-2016年的建设阶段预计会升级到每年约3.5亿美元）。与此同时，美国能源部电池和储能中心计划每年运营2400万美元，其中类似的阳光燃料支出。正如我所想的那样。

我只能思考聚变对太阳能的吸引力。我认为领域是其中之一：融合工厂可能相对紧凑。我认为位置依赖是另一回事。大多数人没有意识到，美国大陆（奥林匹克半岛）最糟糕的地带每年提供的太阳能是莫哈韦沙漠的一半。有了良好的存储解决方案，太阳能几乎可以在任何地方使用。我认为，在某种程度上，我们受到进步/征服感的驱动。破解融合问题符合我们宝贵的叙述。但是我不禁要问，这些原因是否足以使我们继续追逐黄金，而当我们有其他选择可能会更接近生存能力时，黄金可能会继续令人失望。

自然，这不是一个全有或全无的主张。无论方向如何，我都支持研究。但我想确保我们不会成为不合理的挂断和期望的牺牲品。我们至少需要评估这个概念：了解自己。可能有人反对我已经简单地将一个圣杯（融合）替换为另一个（存储）。投票选出哪一个更有可能成功？

融合前景

没有人能真正说出我们是否会以商业上可行的方式实现融合。如果博士团队花了60多年的时间来解决这个问题，却花费了数百亿美元，我认为使用我们的融合任务作为“硬”的定义是安全的。这比送人到月球要大得多。对于如此艰巨的技术问题，我们没有历史先例，而这一问题最终成功地变成了卑鄙的商业现实。但是，就此而言，我认为对于这种大规模失败的事情，我们没有任何先例。简而言之，我们超出了我们的深度，不能对任何一个方向的预测都自大。

我希望融合能够有一天成为现实。我当然理解它在原则上是可行的。我的疑虑主要在于挑战的极端复杂性。要成为燃煤电厂的专家，可能要花费一年的时间，才能成为故障排除和维护的首选资源。核裂变工厂可能需要五年的时间才能掌握，而发现裂变后，要达到第一个收支平衡的性能大约要花费很长时间。但是，经过一个世纪的发展（到任何商用聚变反应堆都已成为现实）时，为了对聚变装置的运行有一个牢固的掌握，一个人必须学习等离子体物理学多长时间？NIF使用了两个激光，它们占据的面积相当于沃尔玛商店的面积（毫不夸张）。保持这种水平的最新激光运行需要多少博士？我知道我在研究中使用的2 W激光会给这个博士带来足够的麻烦！

我对能源产生了兴趣，因为我意识到随着化石燃料时代的开始退潮，我们正处于社会的一个阶段性变化。我们已经变得如此之多，可以归因于廉价和丰富的剩余能源。我们的能源未来充满不确定性。商业融合可能会在未来数十年之内（最早是本世纪中叶）出现，但即使到那时，它仍然是我们可以用来发电的又一热源。下一步（移动存储）必须伴随着聚变技术发展以取代石油功能，即使在那时，使用当前技术在能量密度上也将处于明显的劣势。是的，我希望有一天能对我们有所帮助。但是我不确定我们可以等那么久。

汤姆·墨菲（Tom Murphy）

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客《做数学》中。