可控核聚变，人类的希望

白二娃

ITER设计结构示意图

一、什么是核反应

这一切都从那个最美妙的公式：爱因斯坦的质能方程E=MC2说起，E是能量，M是质量，C是光速（约为30万公里每秒）。这个历史上最著名的科学公式告诉我们当原子核内质子中子聚集或裂开产生新的元素时，伴随着原子核的质量损失释放出极其巨大的能量，这就是核反应释放出核能。

核反应中比较容易实现的是重原子的裂开，一个大原子核分裂成几个小的原子核，称为核裂变。用中子去撞击本来就在缓慢裂解的放射性元素（如铀或钚）就可以实现，原子核裂解时会释放中子继续撞击其他原子核，这样就引起了链式反应，其剧烈程度取决于重原子的密度，密度高反应快就是原子弹，密度低反应慢就是核电站。

而最容易发生的核聚变是两个氢原子核聚集成一个氦原子核的过程，这个反应中会出现比核裂变更大的质量损失。相同质量的核原料参与反应，聚变反应是裂变反应释放能量的4倍。

二、 什么是热核聚变

由于原子核间有很强的静电排斥力，只有在一亿开尔文（热力学温标，国际单位制中的温度单位，K）

的超高温下，轻核才有足够的能量克服斥力发生聚变，因此超高温是发生核聚变所必需的外部条件，所以核聚变又称为热核聚变。

核聚变反应

与之相对的有人提出设想，希望在较低温度或常温下发生核聚变反应，称之为“冷核聚变”，但是目前这方面还从未出现科学界普遍认可的研究成果，本文不做讨论。

原子核的静电斥力与其所带的电荷成正比，因此原子序数越小、质子数越少的轻核聚变所需的动能（温度）就越低。所以只有一些较轻的原子核（例如氢、氘、氚、氦、锂等）才容易发生核聚变。最常见的核聚变反应是氢的同位素氘和氚发生核聚变生成氦，这其中约有0.7%的质量会转化为能量释放出来。

氘，读作dāo，也称重氢（写作D或2H），原子核包括一个质子和一个中子;氚，读作chuān，也称超重氢（写作T或3H），原子核由一个质子和两个中子组成，而普通的氢原子核就是一个质子。

三、 人造太阳

发生核聚变的条件虽然非常苛刻，但在宇宙中卻很普遍，太阳的中心区域有着1500万K的高温和2000亿个大气压的高压，由于高温和高压的效果在一定程度上可以互换，因此氢在这个“较低”的温度下就聚变成了氦。这样的反应已经进行了46亿年，产生了巨大的能量。再过50亿年，太阳将变成红巨星，氦开始聚变生成碳，到那时，太阳的体积会剧增，把地球吞噬掉（是的，地球的命运就是被太阳吞噬）。在之后的演化阶段，碳还会聚变成更重的原子核。但是要注意，放出能量的核聚变反应，到形成铁就结束了，再聚合成更重的元素就需要吸收能量了。在恒星演化的最后阶段（超新星爆发），才有可能继续聚变生成铁之后的元素，这是宇宙中产生这些比铁原子核更大的重元素的唯一途径。也就是说，地球上的重元素必然是上一轮恒星逝去的产物。我们身体内的铁都是来自上一代恒星的产物，从这个角度来说我们都是恒星的孩子。

可以说水能、风能、太阳能是使用现在太阳核聚变产生的能量。木材、煤、石油不过是在用过去太阳的能量。核裂变则是在使用逝去恒星的能量。而核聚变使用的却是未来恒星的能量（氢占太阳质量的四分之三）！

四、 核聚变的优势

核聚变相比包括核裂变在内的其他能源有着众多的优点，包括能量密度高，原料丰富，使用清洁安全。

核聚变可以将0.7%的质量转化为能量，相比煤和石油等化石燃料高出几个数量级，未来前景极其巨大。而目前提倡的太阳能、风能等新能源在成本上连传统能源都无法替代。

核聚变的原料是氢的同位素氘和氚，氘大量储藏于海水中，一升水中含有的氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。以现在人类消耗能量的速度，地球上的海水可供人类使用上百亿年，而且宇宙中还有大量的氢，所以说核聚变是无限的能源。

虽然现在的新一代核电站安全性更高，发生致命核泄漏事故的可能性不大，但核原料和核废料均有核辐射，危险且极难处理，而且铀等原料在地球的储量也并不丰富。

而核聚变的反应产物是具有工业价值的氦气，其原料氚的放射性衰变产物只是高速电子对人无害。从安全的角度看，核聚变不需要中子“点火”，不是链式反应，只要停止维持高温就能立即停止反应。

所以说可控核聚变是解决未来能源问题的最理想方案。

在小说《三体》中就描绘了大刘想象的人类掌握可控核聚变后的世界。所有电器都使用无线充电。用于充电的电磁波充斥于城市而无需考虑能量的耗散，电就像空气一样不要钱。由于不再使用化石燃料，环境恢复到了工业革命之前。

在更深层次的思考中，可控核聚变也是人类文明长久存续的必然选择。地球资源有限且必然灭亡，人类必须移民宇宙，生存空间的拓展就需要航天技术的革命，当前以化学燃料为动力的火箭技术能达到的速度太低，且大部分燃料其实是用来推动自身，这就是因为化学燃料的能量效率太低，以这样的能量效率即使烧掉地球也无法满足星系间航行的需要。

只有能量效率更高的可控核聚变发动机才是星际航行的有效途径，而且氢在宇宙中含量最多，大约占据宇宙质量的75%，燃料获取也相对容易。

因此掌握可控核聚变技术是人类能否长远发展的关键科技，否则我们就只能被禁锢在地球上，以当前相互伤害般的发展模式自生自灭。

五、 可控核聚变的装置

在太阳中心，氢可以在1500万K的高温和2000亿个大气压的高压下聚变成氦。而在地球上没有那么高的压强，要发生聚变，温度就需要达到上亿K。有什么办法能达到这么苛刻的条件呢？

目前要达到核聚变的高温条件就是使用原子弹。氢弹就是先引爆原子弹达到聚变条件，再通过氢聚变放出更大的能量。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则是几千万吨级TNT当量。但是氢弹是不可控的聚变反应，你总不能用氢弹来发电吧？所以真正的挑战是和平的、可控地利用核聚变，俗称“人造太阳”。

可控核聚变有两大难点。一是如何将聚变材料加热到1亿K以上的温度。二是用什么容器来装温度这么高的聚变材料。把核聚变反应堆看成一个火炉，第一个问题就相当于“怎么点火”，第二个问题相当于“怎么保证炉子不烧穿”。

2018年EAST实现的1亿K度等离子体放电 @中科院EAST团队

对于点火，目前常见的有两种路线。惯性约束激光点火：把聚变燃料放在一个弹丸内部，用超强激光照射弹丸，瞬间达到高温，弹丸外壁蒸发掉，并把核燃料向内挤压。美国的“国家点火装置”和中国的“神光三号”等实验装置，走的就是这条路。低杂波电流驱动：在欧姆加热的基础上用高科技的大号微波炉辅助加热原料，中国的“全超导托卡马克实验（EAST）”就使用这种技术路线，已经实现1亿K的稳定高温。

对于炉子外壁，目前合理的思路是磁约束。托卡马克这个词是转写俄语缩写токамак，它代表环形、真空室、磁、线圈几个词汇，指的是“带有电磁线圈的环形真空室”。

把聚变燃料做成等离子体（原子核和电子分离，都可以自由流动），用多方向的超强磁场约束等离子体，让它们稳定悬空并高速旋转，不跟容器直接接触。ITER和EAST就是托卡马克装置。

目前在中国的EAST在2017年已经创造了5000万K稳定运行101.2秒的纪录，2018年创造了1亿K高温，已达到氘—氚有效燃烧所需的温度。各方的实验结果表明，托卡马克装置已基本满足建立核聚变反应堆的要求。

六、 可控核聚变还有多久？

要有效利用核聚變，必须能够控制核聚变的速度和规模，并且实现持续、平稳的能量输出。有个判断标准是看核聚变装置输出的能量与输入的能量的比例，称为Q值。当Q大于0，就可以说已经实现了可控核聚变，但是能量输出小于能量输入不实用。当Q大于1，能量输出大于输入，能够实用了，而Q大于10就可以商用了。而这还没完，当条件再提高到某种程度，Q会成为无穷大，也就是说只需要一次点火，体系放出的能量就足以支持核聚变持续进行下去，不再需要外界的能量输入。

那么人类已有的那些核聚变装置，达到了什么水平呢？大部分还在Q = 0的区域里扑腾，只是摆个姿势，锻炼一下队伍，验证技术可行性和工程难点。有一些进入了0< Q < 1的区域，能够发生一点核聚变，不过总能量还是亏损的，这已经很不错，能进行实际研究了。

将核聚变堆的温度、等离子密度、能量约束时间三个值相乘获得的数值称为核聚变三重积值，这个值更方便用于衡量各核聚变反应堆的性能，当这个值大于10的21次方时，Q就大于1了。目前各国的实验堆的三重积值正稳步增长，这说明核聚变的研究发展速度喜人。

但是可控核聚变什么时候能实用化？有人说到2050年左右，其实科学家的回答是无法预测。因为可控核聚变迄今连技术路线都没确定，只能说托卡马克装置希望不小但面临的技术问题也非常多，甚至几十年内还看不到完全解决的希望。

总之可控核聚变前景远大，道阻且长，却非做不可。