人造太陽是人類的終極未來

黃大榮

全世界80億人，無時無刻不在消耗能源。石化能源，終有用盡的一天。可以說，世界的不安寧，就因為在爭奪能源。石化能源還威脅著地球生態，碳排放令地球氣候變暖；而只要地球平均溫度再升高3攝氏度，將導致冰川融化，引發淡水危機；世界最繁榮的沿海經濟圈，也將不復存在。

人類不得不尋找新的能源。科學家首先想到的是太陽。太陽塑造了地球和地球萬物生命，從地球來看，太陽就是我們的上帝。所以，科學家試圖模擬太陽，制造“人造太陽”。核聚變產生能量的原理是愛因斯坦質能公式：E=mc2。質能方程可以解釋為：在核反應中，生成的新物質的質量減小了，損失的質量轉換成能量釋放。太陽能釋放能量，是因為它在發生核聚變鏈式反應：質子-質子鏈（PP鏈）反應。

第一個步驟是兩個氫原子發生核聚變成為氘，一個質子經由釋放出一個e+（正電子）和一個中微子成為中子：1H+1H→2H+e++νe。在這個階段中，釋放出的中微子帶有0.42MeV的能量。

這個步驟進行得非常緩慢，因為它依賴的β正電子衰變，需要吸收能量，將一個質子轉變成中子。事實上，這是整個反應的瓶頸，一個質子平均要等待109年才能融合成氘。一旦融合，正電子立刻就和電子湮滅，它們的質量轉換成兩個γ射線的光子被帶走：e++ e-→2γ（它們的能量為1.02MeV）。在這之后，氘先和另一個氫原子融合成較輕的氦同位素3He：2H+1H→3He+γ（能量為5.49MeV）。然后，有三種可能的路徑來形成氦的同位素4He。在pp1分支，氦-4由兩個氦-3融合而成；在pp2和pp3分支，氦-3先和一個已經存在的氦-4融合成鈹。在太陽內部，pp1最為頻繁，占了86%；pp2占14%；pp3只有0.11%；還有一種是極端罕見的pp4分支。攻克可控核聚變，是地球的終極希望。為此，早在38年前，全世界的科學家就開始了合作。在任何情況下，這一合作也沒有停止過。

主流方案，是托卡馬克裝置。這個裝置的“點火”，就是讓兩個等離子狀態的質子，發生核聚變反應。如果核聚變能在一億攝氏度的苛刻條件下，維持1000秒，即16分鐘，并且輸出能量遠大于輸入能量，就被認為初步成功。

電解水H2O生成氫H2，通過核裂變產生的高能輻射蒸氣壓縮氫氣H2，這時的氫氣成為離子狀態，輻射蒸氣壓縮H（質子），四個氫核聚變生成一個氦核，放出巨大的能量。核聚變一般在超高溫和超高壓封閉環境下進行，這個環境就是托卡馬克裝置。

一個氘核和氚核發生聚變反應會產生一個中子，并且釋放17.6MeV的能量。中子對于人體和生物都非常危險。

聚變反應產生中子的麻煩之處在于，中子可以跟反應裝置的墻壁發生核反應。用一段時間之后就必須更換，很費錢。而且換下來的墻壁可能有放射性，成了核廢料。還有一個不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墻壁反應。

氘氚聚變只能算第一代核聚變，優點是燃料便宜，缺點是有中子。

第二代聚變是氘和氦-3反應。這個反應本身不產生中子，但其中有氘，氘氘反應也會產生中子，不過總量非常非常少了。如果第一代電站必須遠離鬧市區，第二代估計可以直接放在市中心。

第三代聚變是讓氦-3跟氦-3反應。這種聚變完全不會產生中子。這個反應堪稱終極聚變。

樂觀地估計，實現核聚變發電商用化，還需要30年。這個時間點，與庫茲韋爾預言的人類進入人工智能的“奇點”，基本同步。2050年前后，人類將邁進科技新紀元。

人類的終極希望，是讓孩子們將來不為能源枯竭發愁，能夠永遠幸福地生活下去，永遠能看花開花落，日出日落，潮起潮伏，云卷云舒，永遠享受太陽的普照。而人造太陽，能讓他們擁有取之不盡用之不竭的、清潔、安全的能源，能把沙漠變綠洲，海水變淡水，讓糧食豐產，AI算力大增，太空旅行成常態……

不過，需要警示人類的是，現在就要思考，如何避免“技術極權”奴役自己。

汪洋大海是地球人的寶貝。它含有的核聚變燃料氘，足夠人類用100億年。而地球的最高預期壽命還有50億年。

（作者系本刊特約撰稿人）

責編：馬京京