今天，我们要问的是，英国科学部长乔治·弗里曼(George Freeman)提出的到2040年建成可运行的聚变能源工厂的雄心壮志是否现实。科学家们对这是否可能有自己的看法，如果不可能，我们什么时候可以期待在网格上看到核聚变……
在这一集里
核聚变101
Brian Appelbe，伦敦帝国理工学院
为了让我们从核聚变的背景开始，我们请到了伦敦帝国理工学院的物理学家布莱恩·阿佩尔比……
是的，核聚变在最基本的层面上是一种核反应，你取两个原子核，这些是来自元素周期表开头的轻原子核，你迫使它们结合在一起。你把它们融合。当你这样做时，爱因斯坦著名的方程，e = mc^2，可能是物理学中最著名的方程，就开始发挥作用了。聚变过程中原子核的一小部分质量会转化为粒子的动能。所以实际上你并没有创造能量，你只是把能量从粒子的静止质量的一部分转移到动能，然后你可以回收并利用它来发电。但是，是的，这和我们现在的发电厂是不同的，它们都是基于裂变的。裂变就是这样，它是一种核反应，但是当你从元素周期表的末尾取出重元素，你基本上让它们分裂，你用中子轰击它们，它们就分裂了。再一次，爱因斯坦的方程意味着它释放能量。聚变就是把粒子结合在一起。但真正的挑战是，当我们把粒子靠近时，它们开始相互排斥。 And what we need to do is we need to make this thing that we call a hot plasma whereby the fusion reactions can actually happen.
克里斯:是的，我们知道物理学是有效的，因为我们仰望天空，那里有一个太阳，它已经存在了数十亿年，它对地球上所有的生命负责，或者至少维持着地球上所有的生命。因此我们知道物理原理是成立的。但我们基本上必须尝试在地球上重建它。
布莱恩-我觉得你说得很对。有时候我们这些核聚变物理学家会问，我们到底是工程师还是物理学家?这就是太阳获得所有能量的过程。所以我们知道它是有效的。我们现在要做的是在实验室里，以一种可控的方式进行实验。我们能否让这些反应在足够小的范围内发生，这样我们就能回收能量并将其转化为电能。所以这真的很有挑战性，因为当你让等离子体变热时，它会立即把自己炸开。太阳之所以能运行，是因为它的质量太大了，太阳中所有质量物质的引力把它凝聚在一起。但当我们在实验室里加热等离子体时，它们往往会被炸开。因此，我们必须找到限制它们并保持它们的方法。
Chris -为什么这被认为是一种能源灵丹妙药?为什么这比裂变过程更好，我们知道我们已经可以做，做得很好，并且产生大量的能量?
布莱恩-这是一种核能。这意味着与化石燃料相比，它不会排放太多温室气体。然后和裂变比较，本质上，每单位质量，你从聚变得到的能量比从裂变得到的能量多。所以这是一种更有效的能源。另外，因为我们取的是元素周期表开头的原子核，它们的放射性比我们使用的裂变物质要小。所以裂变产生的核废料，我们必须储存数千年。我认为最后一点，与裂变相比，我们觉得它是一种更安全的能源形式，在某种意义上，在设计和核聚变反应的工作方式中，任何形式的核熔毁的可能性都是零，在我们拥有的那种发电厂中。
克里斯:有意思。当你提到我们用小元素聚变生成大元素时，科学家们经常讨论用特殊形式的氢，重氢，比如氘和氚来做这件事。我们为什么要执着于那个食谱?我们能不能从元素周期表中取一个旧的元素，然后和另一个元素融合，生成一个更大的元素，得到同样的过程?
布莱恩-我们可以去熨衣服。铁是元素周期表中的第27号元素。包括铁在内的所有元素，如果我们把它们融合在一起，就会释放能量。但是我们选择D和T有两个特殊的原因，它们是氢的同位素。这是因为首先，它们有一个很大的横截面我们所说的横截面是指当你把它们靠近的时候它们会融合的概率。
克里斯-这是氘和氚?
布莱恩-对，氘和氚。它们是氢的同位素。这是一个原因。第二个原因是当发生聚变反应时释放了多少能量?所以氘氚(D, T)对是每个反应中释放能量最多的一对。
克里斯-所以我们花的钱得到了最好的回报?
布莱恩-我们得到了最好的回报。
克里斯:几百年前，当我们考虑利用石油或煤炭中的能源时，我们制造了一种发动机，可以以正确的方式释放燃料。我们应该建造什么样的引擎来释放你刚才描述的聚变燃料中的能量?引擎应该是什么样的?
布莱恩:所以我认为热机可能真的是由这些限制条件决定的，我们需要制造出非常热的东西，然后让它在适当的位置保持足够长的时间，以便这些反应发生。所以目前这些引擎有两种不同的设计或概念。有一种形式叫做磁约束我相信稍后会有人多讲一点在这种形式中，你有这些热氘，氚等离子体然后你把它们包裹在磁场中。当反应发生时，这些磁场使它保持在原位，它产生能量。另一种形式的发动机我们称之为惯性约束聚变，我们只是尽可能快地压缩燃料。这样的压缩会让它变得非常非常热。然后我们的目标是在尽可能短的时间内消耗尽可能多的燃料。
克里斯:你认为要实现乔治·弗里曼2040年的目标，现在需要克服的最大障碍是什么?
布莱恩:在这些反应发生的那一刻，我们产生了中子爆发，高能中子，从产生中子爆发到产生电是一个不小的挑战。它涉及到很多我们还没有做的材料科学。
克里斯-布莱恩，非常感谢。这是Brian Applebee。他将全程陪伴我们。稍后我们将听到他的更多消息。
我们真的需要核聚变吗?
Ian Lowe，格里菲斯大学
最近，人们对核聚变的乐观情绪似乎有所上升。但澳大利亚格里菲斯大学(Griffith University)的核物理学家和名誉教授伊恩·洛(Ian Lowe)对最近有关核聚变未来的乐观预测持怀疑态度。
伊恩:这似乎一点也不可信。我记得物理学家之间的一个标准笑话是，商用核聚变还需要50年的时间，而且可能永远都是这样。在20世纪60年代，核聚变还只是一项实验室活动，从基础物理学的角度来看，短暂地释放出比投入更多的能量是一项重大成就。但它离成为一种可行的商业活动还有很长的路要走。我还没有看到一个可靠的概念图，说明如何构建一个反应堆，使等离子体保持在数百万度的温度，这是聚变进行的同时提取可用能量所需要的。我认为在我有生之年，这在商业上是不现实的。
詹姆斯-你这么说真有意思。那么，你认为是什么引起了这种兴奋，是什么引起了围绕这个话题的嗡嗡声?
伊恩:嗯，让人兴奋的是，在一个实验中，在几毫秒内，反应产生的能量比输入的能量多，
詹姆斯-那是在美国的国家点火装置。只是澄清一下，不是吗?
伊恩:对。关于这一点有很多炒作，但重要的是要记住，虽然输出的能量略多于输入的能量，但输入这些能量所需的能量足以为一个小城市供电。所以我们正在谈论的是一个实验，在这个实验中，一个小城市所需的能量可以短暂地产生足够六户家庭使用的能量。从基础物理学的角度来看，这是很有趣的，但要想在不造成全球变暖失控的情况下继续发展文明，提供我们所需的低碳电力，这距离商业现实还有很长的路要走。
詹姆斯:嗯，我想我们有一个能量缺口需要填补，不是吗?近年来，我们在太阳能和风能等其他可再生能源方面取得了很大进展。这种压力会转嫁到太阳能和风能上吗?
伊恩:如果我们说的是2050年的零排放。其中简单的部分是实现电力供应的零排放。运输、农业、建筑和制造业的脱碳要困难得多。所以我们真的需要在2040年前实现零碳发电。如果最乐观的看法是，最早的时候，你可以有一个商业反应堆运行，是2040年，那对这个问题没有任何影响。
James -我想知道你能否谈谈太阳能和风能的部署困难这是根本原因，不是吗，为什么人们把像核聚变这样的冒险看作是我们需要寻找能源的地方如果我们要，如你所说，通过我们雄心勃勃的全球目标去碳化。
伊恩:是的，我想有两点。其中之一是，在过去十年中，太阳能发电场和大型风力涡轮机的电价大幅下降。2010年，高效核电的平均价格约为每千瓦时12美分。风能是14，太阳能是35。去年，世界平均太阳能价格为3.70美分，风能为4.1美分，天然气为8美分，煤炭为11美分，核能为16美分。因此，太阳能和风能现在便宜得多，它们便宜得多，以至于在北半球，大型煤炭和核电站很久以前就已经摊销了它们的资本成本，现在正在关闭。使用太阳能和风能的关键是你需要储存，因为太阳并不总是发光，风也不总是吹。在电池技术和抽水蓄能方面有了很大的进步。我想说的另一点是，我们不应该假设电力需求是固定的和给定的。到目前为止，减少我们排放到大气中的二氧化碳量的最经济有效的方法是提高将能源转化为我们需要的服务的效率。 The American energy analyst Amory Lovins said 50 years ago, people don't want energy. They want hot showers and cold beer. And we really should be putting a lot more effort into improving the efficiency of the appliances that turn energy into the services that we need, like heating and lighting and electronics, rather than assuming that we need to keep scaling up the amount of electricity that we pour into inefficient devices.
克里斯-伊恩·洛。有点惊讶的是，他没有提到一个事实，在英国，我们当然会用温啤酒洗冷水澡，但事实就是这样。帝国理工学院的Brian Applebee仍然和我们在一起。他在那里提出了一些非常有力的观点。你同意吗?
布莱恩:嗯，我想我同意他的看法，你知道，有很多技术挑战，我们必须对此持开放态度。我认为，如果有人认为核聚变能能帮助我们实现净零排放，那就太鲁莽了。你知道，我们不可能依赖它。
克里斯-我是说，因为这不会很快发生。
布莱恩:好吧，这可能会发生，也可能不会，但我认为我们不能假设它会在2040年发生，因为我们还没有解决太多的技术挑战。我认为，当我们有时间和资源来解决这些问题时，我们可以自信地认为我们能够克服它们，但这可能需要比我们预期的更长的时间。所以我认为他在这一点上是对的。但我认为，从纯粹的商业角度来看，这是一个值得承担的挑战，因为它是一种完全不同的能源形式。因此，如果我们能让它发挥作用，它将改变游戏规则。
我们来谈谈托卡马克
汉娜·威利特，托卡马克能源公司
让我们把焦点放在其中一个努力解决实际实现这一目标的企业上。下面是牛津郡托卡马克能源公司汉娜·威利特的报道:他们使用的技术与STEP 2040原型厂相同……
汉娜:我们的方法叫做磁约束聚变，本质上想象一下，试着把一个果冻放在一个网里，只不过我们的果冻是我们的等离子聚变燃料——氢——而这个网是由磁力线组成的。我们有一台叫做托卡马克的机器，它是一个有核苹果形状的真空室。在这个真空室里，我们尽可能多地吸出空气，把聚变燃料放进去，加热，产生所谓的等离子体，然后我们用磁网。所以我们在腔室的外面有很多场线圈，把等离子体放在里面，让它远离壁，让它保持良好的温度，以便聚变反应发生。
詹姆斯:这是一个非常好的一分钟的介绍，它是如何工作的。我想知道我们能不能稍微打开一点。让我们从这个过程的输入开始。你需要这些氢同位素相互撞击。这些是从哪里来的呢?
汉娜-最常见的氢同位素是氢(1H)，它有一个质子和一个电子。在地球上进行核聚变需要用到的是氘和氚，它们是稍重的同位素。对于氘，你加一个中子，对于氚，你加第二个中子。现在，氘仍然是自然产生的。大约每6700个氢原子中有一个，听起来不多，但是当你考虑到地球上有多少氢，主要以水的形式存在，H2O，每立方米海水中有33克氘原子。氚的情况就不太好处理了，所以它有轻微的放射性。它不会永远存在。这需要生产出来，这是核聚变最大的技术挑战之一。但它可以从锂中产生。所以设计你的发电厂，使其能够制造氚，并反馈进来，这是技术发展的一部分，需要发生。
詹姆斯:但另一个主要的挑战是，你需要产生巨大的，极端的热量，才能使氘和氚进入等离子体，并保持这种状态。它需要几百万度，甚至比太阳还要热。你是怎么做到的?你在哪里做的?我想这就是托卡马克的用武之地。
汉娜-没错。所以反应速率与温度有关。所以我们之所以要达到比太阳中心高几倍的温度，也就是几百万度的温度，是因为在这样的温度下反应最有效。两个原子核融合，它们都带正电。所以它们之间有静电斥力。它们必须有足够的能量才能被推得足够近。我们一起有中性束加热，这意味着我们创造高能的中性氢或氘束，给它们大量的能量，把它们发射到等离子体中，然后一旦它们进入等离子体，它们必须是中性的，才能进入磁网。但一旦它们进入，它们就会与已经存在的等离子体粒子相互作用并传递能量，从而使聚变反应发生。
汉娜:所以温度是一个很大的因素。另一个是密度。基本上你的等离子体密度越大粒子就越多它们相互作用的可能性就越大。所以在温度和密度之间有一个很好的平衡，然后第三个元素N代表密度，T代表温度，Tau代表约束时间。所以我们能在托卡马克的等离子体中保持能量多久，因为如果你把能量放进去，然后它又马上掉出来，这不是很有帮助。所以你必须增加约束时间来启动它，使点火发生并保持等离子体燃烧。
詹姆斯-你能跟上我们吗?还在听吗?如果答案是否定的，也不用担心，因为在她的解释之后，汉娜建议我通过在遥远的未来扮演地球上的托卡马克工程师来巩固我的知识。为了接受挑战并证明我所学到的东西，我尝试了这款将玩家推向未来发电厂的手机游戏。
James - <科幻音乐淡出>“21世纪的能源短缺问题已经得到解决。解决办法是:核聚变能源。燃料在2亿度的温度下被加热到等离子体状态，然后聚变并释放出大量的能量。强力磁铁将等离子体固定在电站内。你是2103年一个典型核聚变发电厂的操作员。作为操作员，你必须将机器驱动到理想的聚变条件。你可以控制强大的磁铁将等离子体困在钢容器中，控制强大的微波加热系统使等离子体粒子聚变，控制微波炮炸磁岛。你得照顾温度计，它能达到2亿度，还有约束计，你可以调节磁场功率，使约束保持在合适的水平。”
詹姆斯:对。好了，我想我准备好试一试了。所以我想提高磁铁的功率。坐月子太大了。对不起。好的，我们会提高温度，但这反过来会使约束很低。上来的是磁铁。好了，干得好，核心温度又上升了。唷。所以诀窍就是均匀地提高磁铁功率和加热功率。 We're up to 70 million degrees in my fusion reactor now things are going pretty well. Got to zap those magnetic islands with my microwave cannon. We're going to whack the heating power onto full now and raise the magnet power in turn. Ticking over 190 million degrees, 197, 200. 'Well done. You succeeded in driving the machine to the ideal fusion conditions.' Well,
詹姆斯-我对自己很满意。现在，在我让汉娜离开之前，我想问她关于伊恩的问题，关于如何保持这些令人讨厌的温度，同时能够从聚变反应中提取能量。
汉娜:我们来到了另一个技术挑战，那就是捕获释放出来的能量。所以你要确保，在托卡马克的壁上，你有合适的元素，可以捕获这些中子，减慢它们的速度，提取能量，然后这也会反馈到氚的繁殖中，因为你可以用这些中子和锂反应，产生氚。这就形成了一个漂亮而简洁的谜题。但我的意思是这些仍然是巨大的技术挑战。如何做到这一点的工程正在进行中。
詹姆斯:为了能够承受这些极端条件，托卡马克是由什么材料制成的?
汉娜:那么另一个技术挑战:材料科学。这是一个重要的研究点，不仅仅是在托卡马克能量上，全球的组织都在寻找不同的方法来制造这些面向等离子体的组件，比如托卡马克内部的第一道墙。所以有不同的选择。熔点非常高的重金属，比如钼、钨，如果等离子体接触到墙壁，它们可以承受最高的热负荷。但它们的问题是，如果它们真的进入等离子体的核心，因为它们太大了，它们最终会辐射掉很多能量，如果我们想保持约束时间，那就不是很大了。其他选择是元素周期表另一端的轻元素;硼，锂，我们已经提到过了。但是因为它们很轻，如果它们进入等离子体内部，它们不会对加热造成太大的破坏，也不会对保持温度造成太大的破坏。
核聚变能研究奖励科学
Brian Appelbe，伦敦帝国理工学院
帝国理工学院的布莱恩·阿佩尔比，
Chris:我听了Hannah所说的，Brian，以及你在节目开头告诉我们的，我越来越认为这不是一个物理问题，而更像是一个材料科学和工程挑战。这公平吗?还是说还有很多科学问题需要解决?
布莱恩:我想说的是，因为过去几年我们在科学方面取得了成功，比如在美国国家点火装置发生的事情，我们开始更多地考虑工程方面的挑战。所以我们还有很多物理工作要做，以确保我们完全了解这些等离子体的行为。但是我们需要建立起一种信心，我们需要开始思考接下来的一系列问题，关于我们如何恢复能量，我们如何驱动这些反应。我认为我们可以跨越这两个挑战。
克里斯:我们以前在地球上创造过这样的条件吗?或者我们正在进入未知的领域，试图在2亿度的温度下制造东西?
Brian:所以我认为对我个人和我的很多同事来说，这是一件非常令人兴奋的事情。当我们退后一步，在一天结束的时候，我们正在做的是我们在地球上创造这些独特的等离子体。这是我们能创造的最热的物质，因此我们能在实验室里研究它。它能做的是告诉我们很多事情，比如，宇宙是如何运行的，超新星是如何演化的，以及宇宙中元素是如何形成的。因此，在努力实现核聚变能源的商业目标的同时，我们仍然在做基础科学。
科学家们将如何解决这个问题?这一切都是关于计算机建模吗?这只是建立一个非常强大的计算机系统，当我们把物体置于巨大的张力和压力下，我们把它放大到他们所说的那种大小，然后试着计算出粒子的运动方向和速度，因此它们消耗了多少能量。这基本上是一个计算机建模问题吗?
布莱恩:计算机非常非常有帮助，我们使用世界上最强大的计算机来模拟这些等离子体。但最根本的问题是，当你试图做核聚变时，你总是试图在铅笔的尖上保持平衡。我们必须克服所有这些不稳定因素来限制我们的热等离子体。因此，计算机模拟可以帮助我们了解如何保持铅笔在笔尖上的平衡。但最终，计算机模拟并不是绝对正确的。我们必须确保他们正确地预测了我们可以做的现有实验的结果。
克里斯-你认为乔治·弗里曼会在2040年实现他的梦想吗?会有一个工厂在运转，它会是一个净能源生产者?
布莱恩-如果他愿意用任何需要的钱来支持他的梦想，那么是的。我总是想起1960年的登月。肯尼迪总统在20世纪60年代初表示，美国将在20世纪60年代末将人类送上月球。他也没有谈到它的商业方面。这就是我们的目标。把人送上月球。我认为这就是我们应该做的核聚变。
克里斯-他还说过，“我们做这件事不是因为它容易，而是因为它很难。”这是一个类似的问题，不是吗?
布莱恩:我想是的。是的。我觉得我们需要这种态度。
克里斯-大概在解决这个非常难解的问题的过程中，有点像雷曼假设让数学家们发展出各种令人兴奋的新数学来寻找素数，但他们仍然没有获奖。尽管如此，他们还是做了一些令人兴奋的数学计算。我们是否发现了一些令人兴奋的物理现象?
布莱恩:我们当然是。我们发现了很多关于天体物理学的东西，还有技术的发展，比如激光的发展，高温超导磁体。核聚变需要很多技术，正是核聚变的投资推动了进步。
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