可控核聚變的誘惑

文/喬輝

《流浪地球》中有一個非常大膽的設定，那就是首先用核聚變發動機對地球自轉進行剎車，然后對地球進行加速，擺脫太陽的引力，直至加速到光速的千分之五，飛往離太陽最近的恒星——比鄰星。

劉慈欣的科幻小說經常涉及核聚變堆的概念，核聚變確實是一勞永逸地解決人類能源問題的終極手段。人類目前核聚變已經進展到什么程度了？像影片中那種燃燒石頭的核聚變發動機真的能實現嗎？

燃燒石頭的核聚變發動機

我們知道，氫彈是一種劇烈的核聚變爆炸現象，人類無法直接利用這種能量。人類需要的是可控核聚變，也就是說能夠平穩輸出能量的核聚變裝置，但到目前為止尚處于實驗階段。

如果有人問你，我們什么時候能利用上核聚變的能量，你可以說50年后；再過10年又有人問你同樣的問題，你還可以說50年后。這就是核聚變領域最著名的“永遠50年”的段子。但隨著技術的進步，至少“80后”應該能看到核聚變發電的那一天。

目前，中國的全超導核聚變托克馬克裝置（EAST）以及國際聯合正在建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）都讓我們看到了希望的曙光。目前人類首先要馴服的是氘氚的核聚變，也是相對最容易的一種核聚變方式。

▲ 《流浪地球》中的巨大核聚變行星發動機，高11公里，比珠穆朗瑪峰還高（劇照）

▲ 《流浪地球》中給核聚變行星發動機提供燃料的巨大礦山車輛（劇照）

在影片中，為了推動地球離開太陽系，人類在地球上建造了上萬座高聳入云的核聚變發動機，燃燒的不是氫，也不是氦，而是石頭。真佩服劉慈欣的想象力。這里的燒石頭不是把石頭燒成石灰石的化學反應，而是組成石頭的元素的原子核發生聚變的燃燒。

但石頭的組成元素非常復雜，主要是氧、硅、鋁和鈣等等這些原子序數較大的元素。這些元素能聚變嗎？能！但實際上，難度恐怕高級外星人也做不到吧。

宇宙當中，這些元素的核聚變發生在大質量恒星演化末期的核心處，這里的大質量最少也要8顆太陽質量以上了。實際上，我們身邊的元素，除了氫和氦，基本都是在恒星核聚變燃燒、超新星爆炸以及中子星合并過程中形成的。有句話說得很好——“我們其實都是核廢料組成的”。

理論上，排在鐵元素之前的元素都能夠發生進一步的核聚變反應釋放能量，但總體的趨勢是隨著元素質量數的增高，原子核越來越難發生聚變，并且能量密度越來越低，能夠榨取的能量越來越少，這點反映在原子核的比結合能曲線上。你可以把這個曲線看做是從高原一路奔流而下的河流，河流的落差越大釋放的能量越多。反映在結合能曲線上，越輕的元素對應的落差越大，釋放的能量也就越多。也就是說，小說中設定的氧、硅、鋁和鈣等元素的核聚變其實都不如氫聚變高效。

從曲線上我們還可以看出，鐵元素的原子核最穩定，已經無法繼續榨取核能了，如果想讓鐵元素繼續聚變，反而是吸收能量。比鐵更重的元素是在超新星爆發以及中子星碰撞等極端高能事件中合成的。

說到這里，不得不提一個有趣的事實：2017年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布探測到雙中子星合并產生的引力波以及光學信號。在接下來的分析中，科學家發現，此次碰撞產生了相當于10倍地球質量的黃金和鉑金，以及16000倍地球質量的其他重元素。根據目前掌握的證據，地球上的黃金基本都是這種方式產生的。當你下次給心愛的人戴上黃金戒指或項鏈時，別忘心里默默感謝一下中子星哦。

▲ 位于安徽合肥的中國全超導托克馬克核聚變實驗裝置（EAST）

▲ 激光慣性核聚變使用的核燃靶丸，里面可盛放氘氚氣體（左）；激光轟擊靶丸產生高溫高壓條件可與太陽內部相當（右）

可控核聚變是人類永遠追求的夢想

可控核聚變一直對人類充滿著誘惑，因為這是一種“一勞永逸”地解決能源問題的終極手段。其實，太陽就是一種引力約束的可控核聚變裝置，但在地球上人類無法照搬這種天然的手段。

目前，可控核聚變有兩個大的方向：一種是利用磁場約束等離子的方向；一種是利用強激光對核聚變材料進行打靶的慣性約束核聚變的方向。

▲ 仿星器的扭曲線圈和等離子體示意圖

利用磁場約束的核聚變方法，最出名的構型叫“托克馬克裝置（Tokamak）”，這是由蘇聯物理學家首先提出并建造的，是目前主流的核聚變裝置類型，包括位于安徽合肥的——全超導托克馬克核聚變實驗裝置以及正在法國建設中的國際熱核聚變實驗裝置等等。

此外，還有一種叫“仿星器（stellarator）”的磁約束核聚變構型。德國馬普等離子體物理研究所擁有世界上最大的仿星器研究裝置，名字叫“Wendelstein 7-X”，Wendelstein是德國巴伐利亞州一座山的名字。該裝置在2018年實現了更高的溫度、更高的等離子體密度和更長的脈沖時間，突破了仿星器的世界紀錄。

利用強激光打靶的慣性約束核聚變方法，最具代表性的是美國國家點火裝置（NIF），前幾年有報道說已經實現了能量輸出大于輸入的情況。這種方式猶如用激光引爆一顆顆的小型氫彈。

我國著名物理學家王淦昌先生生前就致力于慣性約束核聚變的研究。中國運行的最強系列激光裝置神光-I、神光-II和神光-III主要就是為這項研究做服務的。

人類文明升級需要核聚變

俄羅斯天體物理學家卡爾達舍夫（Nikolai Kardashev）曾經給宇宙文明設定了三個等級：I型文明能夠充分利用其所在行星上的能量；II型文明能夠充分利用其中央恒星的能量（對于我們人類來講，就是要能夠利用整個太陽的能量）；III型文明能夠充分利用其所在星系的能量。

按照這個界定，目前人類還達不到I型文明，文明指數大約在0.7左右。只有到了充分利用可控核聚變的時候，人類才能達到I型文明。

▲ “嫦娥五號”采樣返回示意圖

月球上的氦3資源

進入21世紀后，月球探測進入了一個新高潮。美國、歐洲、中國、日本、印度甚至以色列紛紛往月球發射了探測器。探月的科學目標非常多，例如探索月球的構造、演化和地質情況等等，其中還有一個功利性的長遠目標是勘測月球土壤中的氦3資源。

早在1986年就有人提出開發月球上的氦3用來進行聚變。實際上，由于月壤風化層中氦3的含量并不太高，獲得1克氦3需要處理150噸月壤。

2008年，印度空間研究組織也成功實施了一次探月任務，航天器的名字叫“月船一號”。據說一個非常重要的任務就是調查月球表面的氦3資源，雖然這點在其科學任務里并沒有明確提及。

中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠院士曾經在很多場合表示，勘測月球上的氦3資源是嫦娥工程的重要目標之一。因此，在經過嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號以及嫦娥四號成功實施探月后，相信在月球氦3資源方面應該有了較全面的了解。按計劃，2019年還將進行“嫦娥五號”的發射，還會從月球表面采樣返回地球，屆時就可以在實驗室對月球樣本進行直接研究。

氦3是核聚變的良好燃料，反應后生成氦4和2個質子，由于質子帶電荷，非常容易利用磁場約束和利用。因此，氦3的核聚變非常干凈，不會像氘氚核聚變那樣產生貫穿力非常強的中子。月球上的氦3是長期遭受太陽風吹拂的結果，由于沒有大氣和磁場（也可以說非常微弱）的阻擋和偏轉，月壤中能夠積累氦3。相反，地球就無法積累氦3資源了。但氦3聚變比氘氚聚變的難度要大得多，這是由于氦3原子核帶2個單位的電荷，比起帶1個單位電荷的氘氚而言，靜電排斥力要大得多，相對需要更高點火溫度。

實際上，太陽釋放的半數能量就源于氦3之間的核聚變。簡單來講是這樣的，首先，質子和質子發生聚變生成氘，然后氘與質子聚變生成氦3，最后兩個氦3聚變生成一個氦4和2個質子。總體來講，就是4個質子聚變成一個氦4原子核。

私企核聚變裝置

▲ 通用聚變公司的小型核聚變實驗裝置

▲ 國際熱核聚變反應裝置建設工地

▲ 國際熱核聚變實驗裝置示意圖

▲ 聯合歐洲環（JET）目前世界上正在運行的最大的托克馬克裝置

在過去，像可控核聚變這種偏基礎性的研究往往都是國家承擔，甚至國際聯合來做，因為這種研究難度非常大，往往短期內也看不到贏利的可能性。但近年來出現了公司化運營可控核聚變研究的公司，例如加拿大的通用聚變公司（General fusion）、三阿爾法能源公司（Tri Alpha Energy），美國的洛·馬公司也在搞聚變反應堆。

這些公司采用的技術路線與主流的托克馬克和慣性約束不同，基本都采用了更加緊致的磁約束裝置。雖然這種裝置成熟度沒有常規托克馬克高，但成本卻相對較低，能夠在私企公司承受的范圍內。例如，通用聚變公司采用了一種叫球形托克馬克（spherical tokamak）的磁約束裝置。如果說常規托克馬克裝置像一個大號甜甜圈，那么球形托克馬克則更像一個蘋果。

科幻電影《鋼鐵俠》中的主角“鋼鐵俠”之所以能量無窮，就是因為他擁有一個小型核聚變反應堆提供能量。說不定隨著人類技術的發展，未來某一天真的能夠制造出隨身攜帶的小型核聚變反應堆呢。

核火箭

到目前為止，人類所有火箭發動機都采用化學能驅動。化學能的能量密度與核能的能量密度相差好幾個數量級，如果能利用核能，尤其是聚變能驅動火箭，那么人類能夠進行深空探測的距離將大大延長。

▲ 科幻人物鋼鐵俠胸口上的小型核聚變反應堆

我們通常把化學能叫常規能源，把核能叫非常規能源。其實，在宇宙中化學能反而應該是非常規能源，核能才是常規能源，因為宇宙中所有的恒星都是靠核聚變驅動，核能是最普遍的能量形式。核火箭才是人類進行星際航行的標配。

其實早在上世紀六七十年代，蘇聯和美國就開始進行核火箭的研發工作，但由于存在放射性污染以及比較笨重的問題，一直沒進入實用狀態。由于人類還沒有能完全掌握可控核聚變，此前的研究都是利用核裂變釋放能量的火箭。

這種核火箭的基本原理是利用裂變放出的熱能對工質進行加熱，加熱的工質從尾噴管噴出產生推力，例如采用液氫作為加熱工質。實際上，核火箭的工作原理與化學火箭基本相同，區別在于加熱工質用的是核能，而非化學能。這種火箭又稱為“核熱火箭”，注意是核熱火箭，而非熱核火箭，熱核火箭應該指核聚變火箭了。核火箭的比沖較大，能夠利用較少的工質產生較大的推力，成熟的核火箭應該比化學火箭更輕。

▲ 核熱火箭的工作原理

▲ 獵戶座工程設計的利用核彈爆炸驅動的飛船

除了這種常規的推進方式，美國在上世紀50年代還發起過利用核爆炸驅動飛船的“獵戶座工程（Project Orion）”！這種想法太瘋狂了，但理論表明卻是可行的。

最初提出這種設想的是美國數學家、核物理學家烏拉姆，他就是當年和特勒一起提出氫彈的“特勒-烏拉姆構型”的烏拉姆。值得一提的是，據說中國核物理學家于敏也獨立提出了類似的氫彈構型，被稱為“于敏構型”。特勒后來被尊稱為氫彈之父。再扯得遠一點兒，特勒就是楊振寧的博士生導師。該工程的實際發起者是美國理論物理學家戴森，他也是提出“戴森球”把太陽包裹起來利用其能量的人。看來卓越的物理學家腦洞通常也是非常大的。

那么我們再簡單說說這種推進方式的原理：在飛船的身后引爆核彈，利用核彈的沖擊不斷推動飛船前進！讀過《三體》小說的朋友應該記得其中有一個相同的情節：利用放置在太空中的核彈不斷驅動飛船前進。其實，應該是劉慈欣借用了這里的創意。