可控核聚變，人類的希望

白二娃

ITER設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

一、什么是核反應(yīng)

這一切都從那個最美妙的公式：愛因斯坦的質(zhì)能方程E=MC2說起，E是能量，M是質(zhì)量，C是光速（約為30萬公里每秒）。這個歷史上最著名的科學(xué)公式告訴我們當原子核內(nèi)質(zhì)子中子聚集或裂開產(chǎn)生新的元素時，伴隨著原子核的質(zhì)量損失釋放出極其巨大的能量，這就是核反應(yīng)釋放出核能。

核反應(yīng)中比較容易實現(xiàn)的是重原子的裂開，一個大原子核分裂成幾個小的原子核，稱為核裂變。用中子去撞擊本來就在緩慢裂解的放射性元素（如鈾或钚）就可以實現(xiàn)，原子核裂解時會釋放中子繼續(xù)撞擊其他原子核，這樣就引起了鏈式反應(yīng)，其劇烈程度取決于重原子的密度，密度高反應(yīng)快就是原子彈，密度低反應(yīng)慢就是核電站。

而最容易發(fā)生的核聚變是兩個氫原子核聚集成一個氦原子核的過程，這個反應(yīng)中會出現(xiàn)比核裂變更大的質(zhì)量損失。相同質(zhì)量的核原料參與反應(yīng)，聚變反應(yīng)是裂變反應(yīng)釋放能量的4倍。

二、 什么是熱核聚變

由于原子核間有很強的靜電排斥力，只有在一億開爾文（熱力學(xué)溫標，國際單位制中的溫度單位，K）

的超高溫下，輕核才有足夠的能量克服斥力發(fā)生聚變，因此超高溫是發(fā)生核聚變所必需的外部條件，所以核聚變又稱為熱核聚變。

核聚變反應(yīng)

與之相對的有人提出設(shè)想，希望在較低溫度或常溫下發(fā)生核聚變反應(yīng)，稱之為“冷核聚變”，但是目前這方面還從未出現(xiàn)科學(xué)界普遍認可的研究成果，本文不做討論。

原子核的靜電斥力與其所帶的電荷成正比，因此原子序數(shù)越小、質(zhì)子數(shù)越少的輕核聚變所需的動能（溫度）就越低。所以只有一些較輕的原子核（例如氫、氘、氚、氦、鋰等）才容易發(fā)生核聚變。最常見的核聚變反應(yīng)是氫的同位素氘和氚發(fā)生核聚變生成氦，這其中約有0.7%的質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。

氘，讀作dāo，也稱重氫（寫作D或2H），原子核包括一個質(zhì)子和一個中子;氚，讀作chuān，也稱超重氫（寫作T或3H），原子核由一個質(zhì)子和兩個中子組成，而普通的氫原子核就是一個質(zhì)子。

三、 人造太陽

發(fā)生核聚變的條件雖然非?？量?，但在宇宙中卻很普遍，太陽的中心區(qū)域有著1500萬K的高溫和2000億個大氣壓的高壓，由于高溫和高壓的效果在一定程度上可以互換，因此氫在這個“較低”的溫度下就聚變成了氦。這樣的反應(yīng)已經(jīng)進行了46億年，產(chǎn)生了巨大的能量。再過50億年，太陽將變成紅巨星，氦開始聚變生成碳，到那時，太陽的體積會劇增，把地球吞噬掉（是的，地球的命運就是被太陽吞噬）。在之后的演化階段，碳還會聚變成更重的原子核。但是要注意，放出能量的核聚變反應(yīng)，到形成鐵就結(jié)束了，再聚合成更重的元素就需要吸收能量了。在恒星演化的最后階段（超新星爆發(fā)），才有可能繼續(xù)聚變生成鐵之后的元素，這是宇宙中產(chǎn)生這些比鐵原子核更大的重元素的唯一途徑。也就是說，地球上的重元素必然是上一輪恒星逝去的產(chǎn)物。我們身體內(nèi)的鐵都是來自上一代恒星的產(chǎn)物，從這個角度來說我們都是恒星的孩子。

可以說水能、風能、太陽能是使用現(xiàn)在太陽核聚變產(chǎn)生的能量。木材、煤、石油不過是在用過去太陽的能量。核裂變則是在使用逝去恒星的能量。而核聚變使用的卻是未來恒星的能量（氫占太陽質(zhì)量的四分之三）！

四、 核聚變的優(yōu)勢

核聚變相比包括核裂變在內(nèi)的其他能源有著眾多的優(yōu)點，包括能量密度高，原料豐富，使用清潔安全。

核聚變可以將0.7%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，相比煤和石油等化石燃料高出幾個數(shù)量級，未來前景極其巨大。而目前提倡的太陽能、風能等新能源在成本上連傳統(tǒng)能源都無法替代。

核聚變的原料是氫的同位素氘和氚，氘大量儲藏于海水中，一升水中含有的氘，通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當于300升汽油的熱能。以現(xiàn)在人類消耗能量的速度，地球上的海水可供人類使用上百億年，而且宇宙中還有大量的氫，所以說核聚變是無限的能源。

雖然現(xiàn)在的新一代核電站安全性更高，發(fā)生致命核泄漏事故的可能性不大，但核原料和核廢料均有核輻射，危險且極難處理，而且鈾等原料在地球的儲量也并不豐富。

而核聚變的反應(yīng)產(chǎn)物是具有工業(yè)價值的氦氣，其原料氚的放射性衰變產(chǎn)物只是高速電子對人無害。從安全的角度看，核聚變不需要中子“點火”，不是鏈式反應(yīng)，只要停止維持高溫就能立即停止反應(yīng)。

所以說可控核聚變是解決未來能源問題的最理想方案。

在小說《三體》中就描繪了大劉想象的人類掌握可控核聚變后的世界。所有電器都使用無線充電。用于充電的電磁波充斥于城市而無需考慮能量的耗散，電就像空氣一樣不要錢。由于不再使用化石燃料，環(huán)境恢復(fù)到了工業(yè)革命之前。

在更深層次的思考中，可控核聚變也是人類文明長久存續(xù)的必然選擇。地球資源有限且必然滅亡，人類必須移民宇宙，生存空間的拓展就需要航天技術(shù)的革命，當前以化學(xué)燃料為動力的火箭技術(shù)能達到的速度太低，且大部分燃料其實是用來推動自身，這就是因為化學(xué)燃料的能量效率太低，以這樣的能量效率即使燒掉地球也無法滿足星系間航行的需要。

只有能量效率更高的可控核聚變發(fā)動機才是星際航行的有效途徑，而且氫在宇宙中含量最多，大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的75%，燃料獲取也相對容易。

因此掌握可控核聚變技術(shù)是人類能否長遠發(fā)展的關(guān)鍵科技，否則我們就只能被禁錮在地球上，以當前相互傷害般的發(fā)展模式自生自滅。

五、 可控核聚變的裝置

在太陽中心，氫可以在1500萬K的高溫和2000億個大氣壓的高壓下聚變成氦。而在地球上沒有那么高的壓強，要發(fā)生聚變，溫度就需要達到上億K。有什么辦法能達到這么苛刻的條件呢？

目前要達到核聚變的高溫條件就是使用原子彈。氫彈就是先引爆原子彈達到聚變條件，再通過氫聚變放出更大的能量。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級TNT當量，氫彈的威力則是幾千萬噸級TNT當量。但是氫彈是不可控的聚變反應(yīng)，你總不能用氫彈來發(fā)電吧？所以真正的挑戰(zhàn)是和平的、可控地利用核聚變，俗稱“人造太陽”。

可控核聚變有兩大難點。一是如何將聚變材料加熱到1億K以上的溫度。二是用什么容器來裝溫度這么高的聚變材料。把核聚變反應(yīng)堆看成一個火爐，第一個問題就相當于“怎么點火”，第二個問題相當于“怎么保證爐子不燒穿”。

2018年EAST實現(xiàn)的1億K度等離子體放電 @中科院EAST團隊

對于點火，目前常見的有兩種路線。慣性約束激光點火：把聚變?nèi)剂戏旁谝粋€彈丸內(nèi)部，用超強激光照射彈丸，瞬間達到高溫，彈丸外壁蒸發(fā)掉，并把核燃料向內(nèi)擠壓。美國的“國家點火裝置”和中國的“神光三號”等實驗裝置，走的就是這條路。低雜波電流驅(qū)動：在歐姆加熱的基礎(chǔ)上用高科技的大號微波爐輔助加熱原料，中國的“全超導(dǎo)托卡馬克實驗（EAST）”就使用這種技術(shù)路線，已經(jīng)實現(xiàn)1億K的穩(wěn)定高溫。

對于爐子外壁，目前合理的思路是磁約束。托卡馬克這個詞是轉(zhuǎn)寫俄語縮寫токамак，它代表環(huán)形、真空室、磁、線圈幾個詞匯，指的是“帶有電磁線圈的環(huán)形真空室”。

把聚變?nèi)剂献龀傻入x子體（原子核和電子分離，都可以自由流動），用多方向的超強磁場約束等離子體，讓它們穩(wěn)定懸空并高速旋轉(zhuǎn)，不跟容器直接接觸。ITER和EAST就是托卡馬克裝置。

目前在中國的EAST在2017年已經(jīng)創(chuàng)造了5000萬K穩(wěn)定運行101.2秒的紀錄，2018年創(chuàng)造了1億K高溫，已達到氘—氚有效燃燒所需的溫度。各方的實驗結(jié)果表明，托卡馬克裝置已基本滿足建立核聚變反應(yīng)堆的要求。

六、 可控核聚變還有多久？

要有效利用核聚變，必須能夠控制核聚變的速度和規(guī)模，并且實現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。有個判斷標準是看核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量的比例，稱為Q值。當Q大于0，就可以說已經(jīng)實現(xiàn)了可控核聚變，但是能量輸出小于能量輸入不實用。當Q大于1，能量輸出大于輸入，能夠?qū)嵱昧?，而Q大于10就可以商用了。而這還沒完，當條件再提高到某種程度，Q會成為無窮大，也就是說只需要一次點火，體系放出的能量就足以支持核聚變持續(xù)進行下去，不再需要外界的能量輸入。

那么人類已有的那些核聚變裝置，達到了什么水平呢？大部分還在Q = 0的區(qū)域里撲騰，只是擺個姿勢，鍛煉一下隊伍，驗證技術(shù)可行性和工程難點。有一些進入了0< Q < 1的區(qū)域，能夠發(fā)生一點核聚變，不過總能量還是虧損的，這已經(jīng)很不錯，能進行實際研究了。

將核聚變堆的溫度、等離子密度、能量約束時間三個值相乘獲得的數(shù)值稱為核聚變?nèi)胤e值，這個值更方便用于衡量各核聚變反應(yīng)堆的性能，當這個值大于10的21次方時，Q就大于1了。目前各國的實驗堆的三重積值正穩(wěn)步增長，這說明核聚變的研究發(fā)展速度喜人。

但是可控核聚變什么時候能實用化？有人說到2050年左右，其實科學(xué)家的回答是無法預(yù)測。因為可控核聚變迄今連技術(shù)路線都沒確定，只能說托卡馬克裝置希望不小但面臨的技術(shù)問題也非常多，甚至幾十年內(nèi)還看不到完全解決的希望。

總之可控核聚變前景遠大，道阻且長，卻非做不可。