可控核聚變，人類的希望

白二娃

ITER設計結構示意圖

一、什么是核反應

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

核反應中比較容易實現的是重原子的裂開，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，原子核裂解時會釋放中子繼續撞擊其他原子核，這樣就引起了鏈式反應，其劇烈程度取決于重原子的密度，密度高反應快就是原子彈，密度低反應慢就是核電站。

而最容易發生的核聚變是兩個氫原子核聚集成一個氦原子核的過程，這個反應中會出現比核裂變更大的質量損失。相同質量的核原料參與反應，聚變反應是裂變反應釋放能量的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生聚變，因此超高溫是發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

與之相對的有人提出設想，希望在較低溫度或常溫下發生核聚變反應，稱之為“冷核聚變”，但是目前這方面還從未出現科學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，因此原子序數越小、質子數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）才容易發生核聚變。最常見的核聚變反應是氫的同位素氘和氚發生核聚變生成氦，這其中約有0.7%的質量會轉化為能量釋放出來。

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），原子核由一個質子和兩個中子組成，而普通的氫原子核就是一個質子。

三、 人造太陽

發生核聚變的條件雖然非常苛刻，但在宇宙中卻很普遍，太陽的中心區域有著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。這樣的反應已經進行了46億年，產生了巨大的能量。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，到形成鐵就結束了，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），才有可能繼續聚變生成鐵之后的元素，這是宇宙中產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物。我們身體內的鐵都是來自上一代恒星的產物，從這個角度來說我們都是恒星的孩子。

可以說水能、風能、太陽能是使用現在太陽核聚變產生的能量。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（氫占太陽質量的四分之三）！

四、 核聚變的優勢

核聚變相比包括核裂變在內的其他能源有著眾多的優點，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%的質量轉化為能量，相比煤和石油等化石燃料高出幾個數量級，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，通過聚變反應產生的能量相當于300升汽油的熱能。以現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。

雖然現在的新一代核電站安全性更高，發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。

而核聚變的反應產物是具有工業價值的氦氣，其原料氚的放射性衰變產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，只要停止維持高溫就能立即停止反應。

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，環境恢復到了工業革命之前。

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的革命，當前以化學燃料為動力的火箭技術能達到的速度太低，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，大約占據宇宙質量的75%，燃料獲取也相對容易。

因此掌握可控核聚變技術是人類能否長遠發展的關鍵科技，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，你總不能用氫彈來發電吧？所以真正的挑戰是和平的、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：把聚變燃料放在一個彈丸內部，用超強激光照射彈丸，瞬間達到高溫，彈丸外壁蒸發掉，并把核燃料向內擠壓。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。低雜波電流驅動：在歐姆加熱的基礎上用高科技的大號微波爐輔助加熱原料，中國的“全超導托卡馬克實驗（EAST）”就使用這種技術路線，已經實現1億K的穩定高溫。

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寫俄語縮寫токамак，它代表環形、真空室、磁、線圈幾個詞匯，指的是“帶有電磁線圈的環形真空室”。

把聚變燃料做成等離子體（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，讓它們穩定懸空并高速旋轉，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年已經創造了5000萬K穩定運行101.2秒的紀錄，2018年創造了1億K高溫，已達到氘—氚有效燃燒所需的溫度。各方的實驗結果表明，托卡馬克裝置已基本滿足建立核聚變反應堆的要求。

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模，并且實現持續、平穩的能量輸出。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，就可以說已經實現了可控核聚變，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，能夠實用了，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的區域里撲騰，只是擺個姿勢，鍛煉一下隊伍，驗證技術可行性和工程難點。有一些進入了0< Q < 1的區域，能夠發生一點核聚變，不過總能量還是虧損的，這已經很不錯，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值稱為核聚變三重積值，這個值更方便用于衡量各核聚變反應堆的性能，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步增長，這說明核聚變的研究發展速度喜人。

但是可控核聚變什么時候能實用化？有人說到2050年左右，其實科學家的回答是無法預測。因為可控核聚變迄今連技術路線都沒確定，只能說托卡馬克裝置希望不小但面臨的技術問題也非常多，甚至幾十年內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。