世界上最大的聚变反应堆内部

冷聚变的失败可能已经玷污了该领域的声誉，但自 1932 年以来，物理学家们就已成功地利用热聚变将原子核连接起来。如今，热聚变研究可以带来一种清洁能源，摆脱核裂变发电厂的种种弊端。核聚变发电厂不会熔化；不会产生寿命长、放射性强的废物；核聚变燃料也不容易制成武器。

实现核聚变发电的最前沿是国际热核聚变实验堆（ITER），这是一个旨在建造世界最大核聚变反应堆的国际合作项目。该项目的核心是托卡马克装置，这是一种容纳核聚变反应的环形容器。在这个容器中，磁场将由氘和氚（氢的两种同位素）组成的等离子体限制起来，而粒子束、无线电波和微波将其加热到 2.7 亿华氏度，这是维持核聚变反应所需的温度。在反应过程中，氘和氚原子核聚变，产生氦和中子。在核聚变发电厂中，这些高能中子将加热托卡马克装置中一个称为包层的结构，该热量将用于转动涡轮机发电。

ITER 反应堆将是有史以来最大的托卡马克，发电量达 500 兆瓦，与燃煤发电厂的发电量大致相同。但 ITER 不会发电；它只是一个巨大的物理实验，尽管它具有非常高的潜在效益。仅仅 35 千分之一盎司的氘氚燃料就能产生相当于 2,000 加仑燃油的能量。而且 ITER 的流程“本质上是安全的”，该项目的高级科学官员理查德·皮茨 (Richard Pitts) 说。“它永远不会像你在裂变世界中看到的那样——切尔诺贝利或福岛——这就是它如此吸引人的原因。”

ITER 磁铁产生的磁场强度至少是冰箱上磁铁的 1,000 倍。要使基于托卡马克的核聚变完全商业化，开发人员必须克服几个挑战。首先是氚的生成问题；世界上任何时候都只有大约 50 磅的氚，因为它不是自然产生的，而且衰变很快。（氘不具有放射性，可以从水中蒸馏出来。）虽然 ITER 可以使用核电站生产的氚，但全尺寸核聚变工厂需要自己生产——核聚变反应产生的中子可用于将锂储存转化为氚。此外，物理学家还必须确定哪些材料最能承受核聚变反应的副产品，这些副产品会磨损托卡马克的壁。最后，设备中残留的放射性将带来维护问题，因为人们将无法在容器内安全工作。ITER 科学家必须开发能够更换重达 10 吨的零件的机器人。

ITER 将于 2019 年在法国开始实验。如果实验成功，该项目产生的数据将帮助 ITER 团队设计 DEMO，这是一座拟建的 2,000 至 4,000 兆瓦的示范聚变发电厂，将于 2040 年建成。

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