能源归途：核聚变

谢高权

能源不仅广泛应用于工业、农业、交通和通信等领域，也渗透到人们日常生活的各个方面，是人类须臾不可缺少的东西。当前，人类使用的能源主要有化学燃料、裂变核能、太阳能、风能和水能，以及地热能等。这些能源在使用过程中都存在一些弊端，如污染环境、资源枯竭、利用率低、受地域限制大等，难以长期满足人们日益增长的能源需求。作为一种既清洁安全，又取之不尽、用之不竭的理想能源，聚变核能开始进入人们的视野。

小原子中的大世界

地球上的绝大部分物质是由分子组成的，如水是由H[2]O分子组成的。但也有一部分物质是由原子构成的，如石墨是由碳原子构成的。但分子在化学反应中会破裂成原子，如1个水分子可用电解法或其他方法再分解为2个氢原子和1个氧原子。而原子是化学反应中不可再分解的最小微粒。

原子虽然用化学方法不能再分解，但从物理学的角度仍然可以再分解。隨着1897年英国物理学家汤姆逊发现电子、1918年卢瑟福发现质子、1932年查德威克发现中子的认识，原子的真实面目被全部揭开。原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子构成，其直径的数量级大约是10[-10]米。原子核居于原子的中心位置，其直径是原子的十万分之一，它由质子和中子（统称为核子）构成，核子之间存在一种很强的作用力，叫作“核力”。它是一种短程吸引力，只在原子核直径的很小范围内起作用，比电磁力要大130倍，在原子核外，则会迅速降到0。质子和中子质量相当，但质子带正电，中子不带电。与质子带有相同大小负电荷的电子，质量很小，只有质子的千分之一，在库仑力的作用下，电子在核外较大空间内作高速运动。

同种元素的原子带有相同数量的质子，而对于某种特定的元素，中子数可以不同。我们把具有相同质子数、不同中子数的原子称为同位素，它们在元素周期表中所处的位置相同，就像坐在一张椅子上的“孪生兄弟”，尽管体重不同，但模样和所处的位置一样。例如，在自然界中，铀就有铀-234、铀-235和铀-238三个同位素。大多数同位素的原子核都是不稳定的，会自发地放出电磁辐射或粒子，而转变成另一种原子核，或过渡到另一种状态。

了解核裂变

原子弹和当前核能发电是最为常见的核裂变应用形式。核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核（主要是指铀核或钚核）分裂成2个或多个质量较小的原子的一种反应形式。以铀-235为例，当用一粒中子撞击铀-235时，短时间形成一个复合核铀-236，它能分裂成2个（或3个）大小不等的碎片，如1个钡-144、1个氪-90和2～3个中子。这些碎片的质量总和比攻击粒子和被击中的原子核质量之和要小一些，损失掉的质量会转化为能量。根据爱因斯坦提出的质量能量关系式E=mc?，E为释放的能量，m为亏损质量，c为光速（米/秒），在铀原子裂变过程中，损失的质量虽然非常少，但转化成的能量却非常巨大。1千克铀-235裂变释放的热量相当于燃烧了约2700吨标准煤。

核裂变，链式反应

原子弹与当前核能发电之间最大的区别在于是否能对核裂变进行有效控制。当用中子撞击一大块铀-235或钚-239时，一个原子核裂变并释放出2～3个中子，这些中子又会引起另外2个原子核裂变，并释放出新的中子，这些新的中子又引起周围原子核裂变，释放出更多的中子……就这样，越来越多的中子被释放出来并引起越来越多的原子核裂变，这个过程就像滚雪球或推倒多米诺骨牌，人们将其称之为“链式反应”，原子弹爆炸时发生的就是这样一个失控的链式反应。而核反应堆是通过插入控制棒的方法来吸收多余的中子，使得平均起来每个核的裂变正好只引发另外一个核的裂变，这就成了可控的链式反应。

裂变核能作为一种安全、低碳、可靠的能源，已被越来越多的国家接受和采用，现已有60多个国家政府考虑采用裂变核能发电。据国际原子能机构预测，到2030年全球的核电装机容量将至少增加40%。

聚焦核聚变

太阳之所以能发出巨大的光和热，是因为其内部无时无刻不在进行着核聚变反应，从而释放出大量的聚变核能。核聚变又称“核融合”、“热核反应”，与核裂变不一样，它不是重原子核的分裂，而是由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦）并释放出巨大的能量。1千克氘全部聚变释放的能量相当于11000吨标准煤燃烧释放的能量。

众所周知，氢弹爆炸是人类首次运用氘氚核聚变的成功实践。它需要原子弹才能引爆，这说明核聚变的反应条件异常苛刻，需要有超高温和超高压。首先，要使电子脱离原子核的束缚，让原子核自由运动，这就需要大约10万摄氏度的高温让电子发生逃逸;其次，由于所有原子核都带正电，按照“同性相斥”原理，质量轻的原子核静电斥力相对要小（这也是核聚变物质一般选择氢的同位素氘和氚的主要原因），两个原子核之间靠得越近，静电斥力越大。要使2个原子核发生聚变，就必须克服强大的静电斥力，而这只有在同时具备1500万摄氏度的高温和3000亿个大气压的压力条件下才能实现。氢弹能爆炸，就是因为在原子弹引爆的时候给它提供了瞬间的高温高压。但这是不可控制的爆炸性聚变，要想实现持续可控的聚变，就必须一直保持高温高压。但在地球上无法持续获得如此巨大的压力，怎么办？这只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要达到上亿摄氏度才行。在这个温度下，布朗运动会达到一个疯狂的水平，氘的原子核和氚的原子核将以极快的速度赤裸裸地发生碰撞，根本没有时间相互躲避，从而结合成1个氦原子核，并释放出1个中子和17.6兆电子伏特的能量。

人类历史上第一颗氢弹爆炸的场面

为了实现核聚变的持续可控，为人类提供不竭的电力，人们进行了许多富有成效的探索和试验。2010年9月，我国首次完成了新一代核聚变装置EAST的放电试验，达到了预期效果。美国、法国等国家早在20世纪80年代就发起了国际热核实验反应堆（ITER）计划，我国也于2003年加入了该计划。

聚变核能的优势

聚变核能相较于化学能、裂变核能等其他能源有着得天独厚的优势。

资源丰富燃料足 核聚变能利用的燃料是氘和氚，其中氘在海水中大量存在。海水中大约每6500个氢原子就有一个氘原子，如此算来，氘的总量大约为45万亿吨。按全世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用上几百亿年。氚可以由锂制造，锂-6吸收一个热中子后，可以变成氚。地球上锂的储量虽然比氘少得多，但也有2000多亿吨，用它来制造氚，足够人类使用3000万年。由此可见，核聚变能几乎是一种取之不尽，用之不竭的新能源。

清洁干净无污染 实际上，核反应堆真正燃烧的东西很少。一般核能的功率密度是化学能的百万倍，现有核燃料能够燃烧的不到1%，剩余99%多为乏燃料，由于这些核废料具有高放射性，又不能用物理、化学和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰变，但其半衰期长达数千年、数万年甚至几十万年。可见，核废料的处理也是当今世界的一大难题。而核聚变不会产生温室气体和核废料，不用担心对环境的影响。

安全可靠能量大燃烧的等离子体一旦形成，任何运行故障都能使等離子体迅速冷却，从而使聚变反应在短时间内自动停止，这意味着核聚变反应堆本身具有内在安全性。另外，聚变产生的能量比裂变产生的能量大得多。1千克氘全部聚变释放的能量是1千克铀-235裂变释放能量的4倍。

虽然目前核聚变还没有完全实现持续可控，但我们相信，在不久的将来，通过科学家们的不懈努力，一定能够实现聚变核能的和平利用，开始造福人类。