可控核聚变的诱惑

文/乔辉

《流浪地球》中有一个非常大胆的设定，那就是首先用核聚变发动机对地球自转进行刹车，然后对地球进行加速，摆脱太阳的引力，直至加速到光速的千分之五，飞往离太阳最近的恒星——比邻星。

刘慈欣的科幻小说经常涉及核聚变堆的概念，核聚变确实是一劳永逸地解决人类能源问题的终极手段。人类目前核聚变已经进展到什么程度了？像影片中那种燃烧石头的核聚变发动机真的能实现吗？

燃烧石头的核聚变发动机

我们知道，氢弹是一种剧烈的核聚变爆炸现象，人类无法直接利用这种能量。人类需要的是可控核聚变，也就是说能够平稳输出能量的核聚变装置，但到目前为止尚处于实验阶段。

如果有人问你，我们什么时候能利用上核聚变的能量，你可以说50年后；再过10年又有人问你同样的问题，你还可以说50年后。这就是核聚变领域最著名的“永远50年”的段子。但随着技术的进步，至少“80后”应该能看到核聚变发电的那一天。

目前，中国的全超导核聚变托克马克装置（EAST）以及国际联合正在建设的国际热核聚变实验堆（ITER）都让我们看到了希望的曙光。目前人类首先要驯服的是氘氚的核聚变，也是相对最容易的一种核聚变方式。

▲ 《流浪地球》中的巨大核聚变行星发动机，高11公里，比珠穆朗玛峰还高（剧照）

▲ 《流浪地球》中给核聚变行星发动机提供燃料的巨大矿山车辆（剧照）

在影片中，为了推动地球离开太阳系，人类在地球上建造了上万座高耸入云的核聚变发动机，燃烧的不是氢，也不是氦，而是石头。真佩服刘慈欣的想象力。这里的烧石头不是把石头烧成石灰石的化学反应，而是组成石头的元素的原子核发生聚变的燃烧。

但石头的组成元素非常复杂，主要是氧、硅、铝和钙等等这些原子序数较大的元素。这些元素能聚变吗？能！但实际上，难度恐怕高级外星人也做不到吧。

宇宙当中，这些元素的核聚变发生在大质量恒星演化末期的核心处，这里的大质量最少也要8颗太阳质量以上了。实际上，我们身边的元素，除了氢和氦，基本都是在恒星核聚变燃烧、超新星爆炸以及中子星合并过程中形成的。有句话说得很好——“我们其实都是核废料组成的”。

理论上，排在铁元素之前的元素都能够发生进一步的核聚变反应释放能量，但总体的趋势是随着元素质量数的增高，原子核越来越难发生聚变，并且能量密度越来越低，能够榨取的能量越来越少，这点反映在原子核的比结合能曲线上。你可以把这个曲线看做是从高原一路奔流而下的河流，河流的落差越大释放的能量越多。反映在结合能曲线上，越轻的元素对应的落差越大，释放的能量也就越多。也就是说，小说中设定的氧、硅、铝和钙等元素的核聚变其实都不如氢聚变高效。

从曲线上我们还可以看出，铁元素的原子核最稳定，已经无法继续榨取核能了，如果想让铁元素继续聚变，反而是吸收能量。比铁更重的元素是在超新星爆发以及中子星碰撞等极端高能事件中合成的。

说到这里，不得不提一个有趣的事实：2017年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布探测到双中子星合并产生的引力波以及光学信号。在接下来的分析中，科学家发现，此次碰撞产生了相当于10倍地球质量的黄金和铂金，以及16000倍地球质量的其他重元素。根据目前掌握的证据，地球上的黄金基本都是这种方式产生的。当你下次给心爱的人戴上黄金戒指或项链时，别忘心里默默感谢一下中子星哦。

▲ 位于安徽合肥的中国全超导托克马克核聚变实验装置（EAST）

▲ 激光惯性核聚变使用的核燃靶丸，里面可盛放氘氚气体（左）；激光轰击靶丸产生高温高压条件可与太阳内部相当（右）

可控核聚变是人类永远追求的梦想

可控核聚变一直对人类充满着诱惑，因为这是一种“一劳永逸”地解决能源问题的终极手段。其实，太阳就是一种引力约束的可控核聚变装置，但在地球上人类无法照搬这种天然的手段。

目前，可控核聚变有两个大的方向：一种是利用磁场约束等离子的方向；一种是利用强激光对核聚变材料进行打靶的惯性约束核聚变的方向。

▲ 仿星器的扭曲线圈和等离子体示意图

利用磁场约束的核聚变方法，最出名的构型叫“托克马克装置（Tokamak）”，这是由苏联物理学家首先提出并建造的，是目前主流的核聚变装置类型，包括位于安徽合肥的——全超导托克马克核聚变实验装置以及正在法国建设中的国际热核聚变实验装置等等。

此外，还有一种叫“仿星器（stellarator）”的磁约束核聚变构型。德国马普等离子体物理研究所拥有世界上最大的仿星器研究装置，名字叫“Wendelstein 7-X”，Wendelstein是德国巴伐利亚州一座山的名字。该装置在2018年实现了更高的温度、更高的等离子体密度和更长的脉冲时间，突破了仿星器的世界纪录。

利用强激光打靶的惯性约束核聚变方法，最具代表性的是美国国家点火装置（NIF），前几年有报道说已经实现了能量输出大于输入的情况。这种方式犹如用激光引爆一颗颗的小型氢弹。

我国著名物理学家王淦昌先生生前就致力于惯性约束核聚变的研究。中国运行的最强系列激光装置神光-I、神光-II和神光-III主要就是为这项研究做服务的。

人类文明升级需要核聚变

俄罗斯天体物理学家卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）曾经给宇宙文明设定了三个等级：I型文明能够充分利用其所在行星上的能量；II型文明能够充分利用其中央恒星的能量（对于我们人类来讲，就是要能够利用整个太阳的能量）；III型文明能够充分利用其所在星系的能量。

按照这个界定，目前人类还达不到I型文明，文明指数大约在0.7左右。只有到了充分利用可控核聚变的时候，人类才能达到I型文明。

▲ “嫦娥五号”采样返回示意图

月球上的氦3资源

进入21世纪后，月球探测进入了一个新高潮。美国、欧洲、中国、日本、印度甚至以色列纷纷往月球发射了探测器。探月的科学目标非常多，例如探索月球的构造、演化和地质情况等等，其中还有一个功利性的长远目标是勘测月球土壤中的氦3资源。

早在1986年就有人提出开发月球上的氦3用来进行聚变。实际上，由于月壤风化层中氦3的含量并不太高，获得1克氦3需要处理150吨月壤。

2008年，印度空间研究组织也成功实施了一次探月任务，航天器的名字叫“月船一号”。据说一个非常重要的任务就是调查月球表面的氦3资源，虽然这点在其科学任务里并没有明确提及。

中国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士曾经在很多场合表示，勘测月球上的氦3资源是嫦娥工程的重要目标之一。因此，在经过嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号以及嫦娥四号成功实施探月后，相信在月球氦3资源方面应该有了较全面的了解。按计划，2019年还将进行“嫦娥五号”的发射，还会从月球表面采样返回地球，届时就可以在实验室对月球样本进行直接研究。

氦3是核聚变的良好燃料，反应后生成氦4和2个质子，由于质子带电荷，非常容易利用磁场约束和利用。因此，氦3的核聚变非常干净，不会像氘氚核聚变那样产生贯穿力非常强的中子。月球上的氦3是长期遭受太阳风吹拂的结果，由于没有大气和磁场（也可以说非常微弱）的阻挡和偏转，月壤中能够积累氦3。相反，地球就无法积累氦3资源了。但氦3聚变比氘氚聚变的难度要大得多，这是由于氦3原子核带2个单位的电荷，比起带1个单位电荷的氘氚而言，静电排斥力要大得多，相对需要更高点火温度。

实际上，太阳释放的半数能量就源于氦3之间的核聚变。简单来讲是这样的，首先，质子和质子发生聚变生成氘，然后氘与质子聚变生成氦3，最后两个氦3聚变生成一个氦4和2个质子。总体来讲，就是4个质子聚变成一个氦4原子核。

私企核聚变装置

▲ 通用聚变公司的小型核聚变实验装置

▲ 国际热核聚变反应装置建设工地

▲ 国际热核聚变实验装置示意图

▲ 联合欧洲环（JET）目前世界上正在运行的最大的托克马克装置

在过去，像可控核聚变这种偏基础性的研究往往都是国家承担，甚至国际联合来做，因为这种研究难度非常大，往往短期内也看不到赢利的可能性。但近年来出现了公司化运营可控核聚变研究的公司，例如加拿大的通用聚变公司（General fusion）、三阿尔法能源公司（Tri Alpha Energy），美国的洛·马公司也在搞聚变反应堆。

这些公司采用的技术路线与主流的托克马克和惯性约束不同，基本都采用了更加紧致的磁约束装置。虽然这种装置成熟度没有常规托克马克高，但成本却相对较低，能够在私企公司承受的范围内。例如，通用聚变公司采用了一种叫球形托克马克（spherical tokamak）的磁约束装置。如果说常规托克马克装置像一个大号甜甜圈，那么球形托克马克则更像一个苹果。

科幻电影《钢铁侠》中的主角“钢铁侠”之所以能量无穷，就是因为他拥有一个小型核聚变反应堆提供能量。说不定随着人类技术的发展，未来某一天真的能够制造出随身携带的小型核聚变反应堆呢。

核火箭

到目前为止，人类所有火箭发动机都采用化学能驱动。化学能的能量密度与核能的能量密度相差好几个数量级，如果能利用核能，尤其是聚变能驱动火箭，那么人类能够进行深空探测的距离将大大延长。

▲ 科幻人物钢铁侠胸口上的小型核聚变反应堆

我们通常把化学能叫常规能源，把核能叫非常规能源。其实，在宇宙中化学能反而应该是非常规能源，核能才是常规能源，因为宇宙中所有的恒星都是靠核聚变驱动，核能是最普遍的能量形式。核火箭才是人类进行星际航行的标配。

其实早在上世纪六七十年代，苏联和美国就开始进行核火箭的研发工作，但由于存在放射性污染以及比较笨重的问题，一直没进入实用状态。由于人类还没有能完全掌握可控核聚变，此前的研究都是利用核裂变释放能量的火箭。

这种核火箭的基本原理是利用裂变放出的热能对工质进行加热，加热的工质从尾喷管喷出产生推力，例如采用液氢作为加热工质。实际上，核火箭的工作原理与化学火箭基本相同，区别在于加热工质用的是核能，而非化学能。这种火箭又称为“核热火箭”，注意是核热火箭，而非热核火箭，热核火箭应该指核聚变火箭了。核火箭的比冲较大，能够利用较少的工质产生较大的推力，成熟的核火箭应该比化学火箭更轻。

▲ 核热火箭的工作原理

▲ 猎户座工程设计的利用核弹爆炸驱动的飞船

除了这种常规的推进方式，美国在上世纪50年代还发起过利用核爆炸驱动飞船的“猎户座工程（Project Orion）”！这种想法太疯狂了，但理论表明却是可行的。

最初提出这种设想的是美国数学家、核物理学家乌拉姆，他就是当年和特勒一起提出氢弹的“特勒-乌拉姆构型”的乌拉姆。值得一提的是，据说中国核物理学家于敏也独立提出了类似的氢弹构型，被称为“于敏构型”。特勒后来被尊称为氢弹之父。再扯得远一点儿，特勒就是杨振宁的博士生导师。该工程的实际发起者是美国理论物理学家戴森，他也是提出“戴森球”把太阳包裹起来利用其能量的人。看来卓越的物理学家脑洞通常也是非常大的。

那么我们再简单说说这种推进方式的原理：在飞船的身后引爆核弹，利用核弹的冲击不断推动飞船前进！读过《三体》小说的朋友应该记得其中有一个相同的情节：利用放置在太空中的核弹不断驱动飞船前进。其实，应该是刘慈欣借用了这里的创意。