【科幻世界·公益阅读】科学：核聚变——托起明天的太阳
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核聚变
——托起明天的太阳
作者/吕默默
1 、未来能源
自人类直立行走、使用工具时起，直至今日，对能源的使用方式几乎没有实质性的变化。无论是钻木取火，还是燃烧煤炭，再到近代的石油、天然气的大规模开采和深度利用，都是通过破坏燃料的化学键来获得能量。例如：煤炭里的碳元素经过燃烧之后，虽然生成大量二氧化碳，但碳元素本身并没有改变。
直到到科学家发现了核能，才真正打开了高效利用物质能源之门。与化学能不同，核能直接“破坏”的是原子核内部构成，从而获得巨大的能量，将一种元素转变为另一种元素。相比化学能，核能释放的能量要超其上百万倍。
获取核能的方式一般有三种：
1、核裂变：较重的原子核分裂成较轻的原子核。
2、核衰变：不稳定的原子核放射粒子产生能量。
3、核聚变：较轻的原子核聚合成较重的原子核释放能量。
在一直无私奉献光和热的太阳内部，已经进行了40多亿年的核聚变。如果人类未来掌握了核聚变技术，就相当于在人类的手中，托起了明天的太阳。
核聚变示意图（氘氚聚变成氦和能量）
——相比其他能源供应方式，核聚变究竟有什么特殊的魅力，才能被众多研究者奉为未来能源呢？
首先，核聚变发电拥有其他发电方式无可比拟的“量大质少”的优点。
以一百万千瓦的电站每年所需燃料来做比较，传统的热电厂需要大约200万吨优质煤，需要33000个火车皮来运输；燃油电厂则需要130万吨燃油，约为1000万桶；核裂变电厂需要约为30吨核原料，几辆卡车就可以运输；而核聚变电厂仅仅需要燃料氘0.6吨，一辆小皮卡的运力足以供应。
其次，核聚变所需的燃料储备巨大。
根据已探明的石油储量，化石燃料再开采几十年就会开始枯竭。而核裂变发电所需原料铀在陆地上的储量并不丰富，且分布不均，还被少数国家把持着。估计全球适用于开采的铀矿仅100万吨左右。但核聚变使用的燃料之一的氘储量巨大。每升海水中含量有约0.03克氘，可产生相当于300升汽油产生的能量。而全球海洋约为13.8亿立方公里，因此氘的储量非常巨大。以现在全球每年消耗能源来计算，足够全人类使用数万年以上。
除此之外，核聚变还很环保，反应过程完全没有二氧化碳排放，更没有放射性或者放射性废物排出。
例如，使用氦-3的核聚变热核反应堆只会产生没有放射性的质子，因此使用氦-3作为能源时不会产生辐射，不会为环境带来危害。而科学家发现月球上储有大量的氦-3，总计超过100万吨，按照现在全球能源消耗总量计算，也足可以支撑人类使用数万年。这为在月球建造基地，探索更遥远的太空打下了基础。
2 、聚变之路
核聚变是通过两个较轻的原子核合成一个较重的原子核，并在这一过程中释放大量的能量。目前实现核聚变反应的必要条件是将核聚变“燃料”不断加压加热，直至开始反应。
虽然说起来很简单，但实际操作起来要困难得多。
科学家起初并没有发现核聚变反应，是因为在一般条件下氘核与氚核的混合态不会产生持续的核聚变。原子核由中子和质子组成，这些家伙能够“和平相处”是由于非常强大的核力将之“控制”在一起，在极为狭小的区域形成原子核。为了打破这一平衡，需要将核子之间的距离压到小于0.000 000 000 01毫米——在太阳内部的高温高压条件下，原子核之间的各种粒子的平衡被打破，氢原子核聚变成氦原子，并释放出巨大的能量，所以太阳是人类最早认识、距离地球最近、规模最大的核聚变反应装置。
然而，在地球上我们要如何完成这一过程？
科学家想到的第一个办法是氢弹——利用原子弹核爆产生的数千万度的高温和上亿倍的大气压强，迫使核聚变的燃料被“点燃”，释放出巨大的能量。
氢弹的能量释放剧烈程度远超人类的想象和掌控，根本无法平和利用。想要在地球表面仅有一个大气压强且常温的环境下“启动”核聚变是一件相当困难的事情。
但科学家们并未放弃。
3 、约束太阳
在《钢铁侠》电影中，托尼·史塔克胸口的方舟反应堆（Arc Reactor）就是核聚变反应堆。但是在现实世界中，这暂时仍是不可实现的幻想。
想要控制、使用核聚变这种未来能源，必须对核聚变的过程进行约束，使释放能量的过程不那么剧烈。一般做法是将“点燃”的核聚变燃料封闭在一定的空间内，使用磁约束或者惯性约束方式控制核聚变的整个过程。
首先，要把核聚变燃料（例如氘和氚的混合物）变成“等离子体”。这需要对燃料进行升温操作，加热、加热、再加热，热到足以使原子核和电子分开，变成“一锅等离子体汤”。此时仅仅是得到的带正电的原子核，它们彼此之间始终是排斥的，让它们能相互接近到足以开始聚变是一件极其困难的事情。所以必须继续加热、加压，使原子核剧烈转动，温度升高，密度变大，封闭的时间越长，彼此接近的机会越大，直到开始反应。
其次，要对等离子体进行约束。一是因为高温高压状态下的等离子体会很快“四散奔逃”，所以这一过程必须在封闭空间内进行。二是普通的“锅”承受不了“汤”的温度。等离子体的温度会被升到千万甚至上亿摄氏度，人类已知的任何容器都无法“盛放”这些滚烫的“等离子汤”。在太阳内部，这就不算事儿了，自有巨大的引力将等离子体约束在内部，不怕“泄漏”。由此，科学家开发出两种思路，一种是磁约束，另一种是惯性约束。
等离子体磁约束原理
磁约束顾名思义，由于等离子体带电，只要制造出足够强大的磁场，等离子体就会被“吸”在人为制造出来的磁线上，达到将等离子体约束在一定的空间内的目的，然后抽真空阻止热量外泄，如此可以避免这些超热的“汤”烧透“锅底”。
实现磁性约束核聚变的科学实验仪器中，最著名的是“托卡马克”装置，大部分国家目前研究使用的就是这个装置。虽然从原理上来说这一装置还算靠谱、安全，但也有致命缺点。托卡马克装置需要庞大的配套设备，例如加热设备、发电设备，加上本身体积庞大，使得投入变得十分惊人，每个装置的成本都异常高昂。
惯性约束法的代表，美国激光型号核聚变装置
——国家点火装置靶室内部，周边的大洞就是激光入射口
另一种约束等离子体的方法是惯性约束法。它的另一个名字是脉冲性聚变——首先将几毫克的氘和氚的混合物放置进直径几毫米的小球内。然后使用高能激光束或者粒子束射击，由于球面吸收了能量、开始像火箭尾焰一般向外蒸发，受到其反作用力，球面内层开始向内冲击，球体内部的燃料受到挤压，压力快速升高，温度也急剧飙升。
当温度达到足以产生核聚变的点火温度时，小球就会爆炸，并释放出巨大的热能。因为燃料剂量很小，爆炸的级别也便于控制，时间也很短，只有几万亿分之一秒。如果在一定的时间内、将这样的爆炸持续进行下去，所释放的热量就有机会顺利导出用于发电。
在这一方案中，不再需要托卡马克装置的巨大磁约束装备，但仍然要安装高能激光和粒子束发生器，占地面积也不会小。
到目前为止，小型的、可实用的聚变核反应堆还只是嵌在钢铁侠胸口的幻象，可控的核聚变道路仍然漫长。
4 、可控核聚变50年魔咒
以现在的技术来说，别说制作出钢铁侠胸口的方舟反应堆，就连实现持续、可控的核聚变反应都难如登天。
之前提到的托卡马克装置，从20世纪70年代开始就逐渐显现出独特的优越性，自80年代起，各国、组织陆续将其上马，托卡马克反应堆成为了研究核聚变的主要途径。而中国也已经陆续建成了相关装置，并进行了实验。例如在2006年建成的“东方超环”EAST，已经实现了大于400秒的超高温约束等离子体运行。
“东方超环”EAST
由于可控核聚变的研究过于缓慢，名为国际热核聚变实验反应堆ITER( International Thermonuclear Experimental Reactor) 的托卡马克装置开始被提上议程。这个国际合作组织成立于2007年，由七个成员实体资助和运行，包括欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国。项目预期将持续30 年，其中10 年用于建设， 20 年用于运行，耗资超过百亿美元。ITER的科学目标是一次放电聚变燃烧维持时间400 ～3000 秒，离子体中心温度将达到1 亿~2 亿度。
但自上世纪50年代提出可控核聚变发电以来，每逢有媒体问道相关的研究者何时能实现。听到的回答总是50年以后，这之后，一个又一个10年过去了，50年过去了，但仍然没有看到即将成功的迹象。
这是因为，所有的可控核聚变模型都有一个致命的缺点：输入的能量大于输出的能量。
无论是磁性约束还是脉冲核聚变，都需要超大的能量给燃料点火，托卡马克装置还需要配套的磁约束设施，额外的消耗的能量更多。但如果给核聚变点火付出的能量大于反应输出的能量，这项研究就失去了意义。
前几年曾有报道称：一些惯性约束实验——也就是使用激光给燃料球点火的实验——成功获得了超过输入能量的输出能量。我国的东方超环也曾经在实验过程中获得过此类数据。但仅仅是持平或者超过一点点并不能让核聚变发电得到实际应用，核聚变的得到的能量至少要比输入能量要高出10倍、甚至30倍才有可能最终推广发电。现在看来，距离这一目标还很遥远。
5 、核聚变飞船
如果核聚变取得突破性的进展，就足以改变我们的世界，甚至还可以送我们到达更遥远的宇宙。
以现在的技术来说，磁约束的核聚变或许是核能发电的最优选择，但未必适用于火箭和宇宙飞船的推进。因为要想约束超高温的等离子体，必须安装一个强大的磁场，这需要巨大沉重的永久磁铁和电磁线圈，不适合从地球上发射至太空，至多只能在太空中直接建造。
核聚变发动机—巴萨德冲压发动机的想象图
使用惯性约束的“小球连续爆炸式”核聚变发动机似乎更适合太空飞船，至少携带燃料要轻许多。不过这个方案同样有个问题，需要安装的高能激光器也实在不是一个小家伙，位于美国加州的激光型核聚变装置NIF占地足有三个足球场大，点火用的强激光的能量来源还需要更多的燃料才能实现。
位于美国的激光型核聚变装置NIF基础平面图
无论是哪一种核聚变发动机，科学家现阶段面对的并不是理论难题，而是技术问题。或许在下个五十年，可控核聚变有可能真的获得突破，届时无论是火箭还是宇宙飞船，尺寸可以造得更大，人类和货物装得更多，飞得更快更远。
带上一个太阳，向着群星出发——我们确实可以期待一下这样的未来。
【责任编辑：迟 卉】
本文刊登于《科幻世界》2019年8月刊
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