好文回顾 | 可控核聚变到底难在哪？到底能带来哪些革命性的巨变？

2024-08-13 10:08

科学声音经典科普好文回顾

本文初次发布于 2019 年 1 月 14 日

>> 本期内容改编自湖南科技出版社的《迷人的技术》，本节目的播出已经获得了湖南科技出版社的授权，在此表示感谢。

本文 6390字，阅读大约需要 16 分钟

上个世纪，人类发明出了原子弹和氢弹，它们被统称为核弹。原子弹爆炸利用的是核裂变，也就是一个较重的原子衰变成较轻的原子，在这个过程中会释放出能量。而氢弹爆炸的原理是让两个氢原子结合成一个氦原子，这个过程专业术语叫聚变，聚合的聚，同样也会释放出能量。

这个知识点我估计绝大多数听众都具备，这差不多都快成了常识了。但我们今天是专门来讲核聚变，所以对核聚变不能停留在这么初级的认知上，我们需要多了解一些细节。

氢元素在自然界中是极为常见的，比如水分子的学名就是一氧化二氢，一个氧原子结合了两个氢原子形成了水。在中学实验中，有一个很著名的实验，就是电解水得到氢气和氧气。但是，如果你以为氢弹的原料可以这么轻易地获得的话，那就错了。实际上，不是每个氢原子都相同的。

原子由原子核加电子构成，原子核又是由质子加中子构成，氢原子就是自然界中原子序号是1的原子，这表示，它带有一个质子一个电子，原子序号就是按照原子的质子数量来编号的，有几个质子，原子序号就是多少。但是，请大家注意，原子核中的中子数量可不是一定的。在自然界中，大约有 99.98% 的氢原子核中都是没有中子的，剩下的 0.02% 的氢原子核中含有一个中子。为了简化表达，我们又给这两种氢原子分别取了个名字，不含中子的氢原子叫“氕”，含有一个中子的氢原子叫“氘”。实际上，自然界中还有少到可以忽略不计的氢原子含有 2 个中子，这种氢原子也有名称叫“氚”，但是这种氢原子很不稳定，每 12.32 年就会有一半的氚因为衰变而不复存在，这也是为什么在自然界中几乎已经找不到氚的原因，半衰期很短。在实验室中，我们还可以制造出中子数更多的氢原子，但他们就更不稳定了，往往只能存在不到一秒的时间。

从理论上来说，越重的氢原子越容易发生聚变反应，也就意味着中子越多的氢原子越容易发生聚变反应。这样一来，自然界中最佳的聚变材料就是氘了。虽然氘只占自然界中的 0.02% ，但因为氢原子的总量实在是太巨大了，想想海洋中有多少水就有多少氢原子，所以 0.02% 的量也是惊人的，足够人类使用了。因此，我们今天这期节目说到氢原子的时候，指的其实都是含有一个中子的氘，知道了这一点，你就比绝大多数普通人对核聚变了解的更多了。

接下去，我们要了解一下为什么两个氢原子聚变成一个氦原子时会释放出能量。这是因为维持作为氦的原子组态比维持作为氢的原子组态所需的能量要少。这句话可能让你理解起来比较费劲，我们用一把古代射箭用的弩来打比方。同样是两把弩，一把弩的弓弦是松弛的，一把弩的弓弦是紧绷的，这两把弩它们蕴藏的能量是不同的。如果我们做一个精确的实验，把这两把弩分别放到同等质量的酸液中，这两把弩都溶解后，溶解弓弦紧绷的弩的酸液的温度就会更高一些。

这就是大自然给我们定下的神圣法则：能量守恒。

所以，当两个氢原子聚变成氦原子时，就会释放出能量。当然，根据爱因斯坦的质能公式，我们也能推算出，在聚变前后，原子的总质量会减小。对绝对大多的核聚变反应来说，至少需要一个带有额外中子的氢同位素。一般来说，同位素合并后释放出的能量来自于那些额外中子中被高速“踢出”的那一个。

以上这些就是核聚变释放能量的原理，在这个过程中释放出的能量是巨大的，大到什么程度呢？按照书里的说法，你洗一次澡用的那点水中含有的氘，如果发生聚变反应，就可以释放出相当于 40 吨煤炭产生的能量。

有些小朋友可能会问？那为什么我们洗澡的时候不会被烧死呢？原因是核聚变反应很难发生，两个原子核很难靠近，因为质子带电，而同性的电会产生排斥力，阻止两个原子核靠的很近。

想让两个氢原子核靠的足够近的办法其实说出来也不难，你想象一下，你现在把一块磁铁的南极对着另一块磁铁的南极扔过去，如果速度慢的话，磁铁之间的排斥力就会把你扔过去的磁铁给弹开。但如果你扔的足够快，它们就能撞到一起。

实际上，氢弹就是这么制造出来的。原理是这样，首先我们制作一个充满氢元素的球体，然后，在球体的外面引爆一堆的原子弹，产生的能量会把这个球体向内压缩，当这个力量大到一定程度，氢原子就能冲破电磁力，撞在一起发生聚变反应。

但问题是，到目前为止，氢弹的这种核聚变方式只能用来做炸弹，没办法用来做其他事情。原因很简单，我们无法控制氢弹能量释放的速度，它总是在一瞬间就释放出惊人的能量，这股能量大到足以摧毁摧毁它周围的一切。如果我们想用氢弹来烧锅炉不是不可以，问题在于我们造不出足够坚固的锅炉不被炸毁。

有些人可能会想，那能不能在一个巨大的水库，或者说一个巨大的湖泊中爆炸一颗氢弹，让水吸收氢弹的能量，水温升高，不就把这部分能量储存下来了吗？想的倒是挺美，但问题是，氢弹的爆炸威力实在太大，除非在大洋中爆炸，否则不管在地球上哪个湖泊爆炸，这个湖泊都吃不消。还有，引爆氢弹需要原子弹，被原子弹炸过的水，那就被核污染了，没法用了。

因此，说到这里你可能明白了，核聚变技术并不难，难的是可以被控制的缓慢释放能量的核聚变，这样才能把这部分能量收集起来为我所用。我们接下来讲第二个关键词“可控”。

其实，可能大多数人不知道，要设法弄出一个缓慢释放能量的核聚变反应并不难，甚至说是相当容易的，容易到你甚至能自己在家里 DIY 出一个核聚变装置。我似乎隔着电波看到你露出了一个诧异的表情，或许你还忍不住想给我一个“呵呵”。

嘿嘿，你听我完。

首先，你去淘宝买一大一小两个法拉第笼，其实就是一个球形的金属笼子，很容易买到。把小的金属笼设法固定到大的金属笼子的正中间。然后，你用两根导线分别接到两个笼子上，在两根导线的另外一端加一个直流恒压源。这样，两个笼子之间就会产生一个电位差。把这个装置放进一间真空室里，接下去的关键一步，是要向这两只笼子之间加入一些氘气。

问题是，氘气你可能买不到，这涉及国家安全，如果你不想上恐怖分子的黑名单。还有一个办法就是买一些“重水”，所谓的重水就是一氧化二氘，这是可以在淘宝上买到的，我查了一下， 200 元就能买到 25 ml。好吧，我承认，到目前为止，听起来像是一个民科在兜售自己的“诺奖级”发明，但我真的没有开玩笑。

你可以电解重水得到氘气，不过这里有一个很难的步骤，就是要设法把氘气中多余的水蒸气给去除，水分子会毁了我们的实验。移除这些水蒸气有不同的办法，比方说，你可以让这些气体穿过一根很冷的管子，水蒸气会在管壁上冷凝，或者你可以只是让气体从某种表面积很大的物体中穿过，例如棉花。好了，假设你弄到出了比较纯净的氘气，现在就把它们注入到笼子中吧。

带正电荷的外笼会把氘向中心推，而带负电荷的内笼会把氘往中心拉，这样就会有一些氘原子核撞在一起，发生聚变反应。等等，听到这里，我估计你要跳出来嘲笑我了，因为我在几分钟前还在告诉大家因为电磁力的存在，两个原子核想要撞在一起有多不容易。其实并不矛盾，从宏观上来看，氘原子核的确不太可能撞在一起。但问题是，自然界还存在一种叫量子遂穿效应的神奇现象，原子核有微小的概率能够突破能量壁垒。就好像你把一个小球往墙上扔，极大多数情况下，小球都被反弹回来，可是，存在一个微小的概率，小球能够穿墙而过。这在宏观世界不可能发生，但是在微观世界，它就有可能发生。

因此，我们这个装置确实是一个核聚变装置，从统计来看，每时每刻都有若干个氘原子发生了核聚变，而且这个过程是缓慢的。如果我因此宣称自己做出了诺奖级的发明，搞定了可控核聚变技术，那就真成了民科了，不过你可能想知道，这个装置为什么没法实用呢？

前面说的那个装置不是科学家们想要的可控核聚变装置的原因在于，我们必须要消耗电力才能让核聚变反应发生，但是核聚变发生的概率实在太小，导致整个装置能够输出的能量小于输入的能量，也就是说，它无法对外做功，所以不能用来发电。不过，这个装置对于科学家们研究核聚变反应本身还是有价值的，只是说没有商业价值。

所以，你们经常在媒体上看到的“可控核聚变”技术，实际上有两个必不可少的要求：一是能量的释放要可控；二是输出的能量要大于输入的能量。

要达到这两个要求，有一种非常著名的设计方案，叫做“托卡马克”装置。这个也被称为环磁机，是一种利用磁约束原理设计的核聚变发生器，最早是苏联时期的俄罗斯科学家在 1950 年提出的。这个“托卡马克”既不是一个人名，也不是一个地名，而是根据几个英文单词“环形、真空室、磁、线圈”的首字母造出来的一个词。

它的原理是这样的：在这个装置的中央是一个长得像轮胎一样的环形真空室，外面缠绕着多组一定形态的线圈，给线圈通电，就能产生一个环形的磁场。这样一来，就能把高温的等离子体给约束在这个环形真空室中。把氘原子充入真空室，然后利用微波等方式给它加热，当加热到几千万度的高温时，核聚变反应就会开始发生了。这里面有个关键点是，线圈必须要用超导材料制成，否则通电后，线圈本身就会被加热烧掉。而超导材料都是要在接近绝对零度的情况下才才能保持超导特性，这就相当于要用一个零下269度的线圈包住一个几千万上亿度的轮胎，还不能让线圈升温，你可以理解它的难度之一了吧。

图：“托卡马克”装置原理示意图

全世界很多国家都在设计制造托卡马克装置，我国也不例外，而且我很高兴地告诉大家，我国的托卡马克装置已经取得了世界领先的地位。

我国的这个装置全称是“全超导托卡马克实验装置”，坐落在合肥，英文简称是 EAST ，但是在媒体上，它还有一个更加流行的名称，叫“中国人造太阳”。它有几个里程碑， 2006 年 9 月，首次成功放电。十年后的 2016 年 1 月，温度做到了 5000 万度，持续时间 102 秒，这时候就已经是世界领先了。到了 2018 年 11 月，我们又实现了 1 亿度的高温，持续时间是 10 秒，大幅取得了的世界领先。本期文稿中附了两张它的照片，但是这里提请大家注意一点，目前的人造太阳加热的还不是核聚变原料，只是等离子体。从我看到的材料来看，这个装置的终极目标是实现 1 亿度的等离子，持续时间 1000 秒，并没有打算进行真正的核聚变反应。所以，这离实现真正的可实用的可控核聚变技术，还有非常长的路要走，但无论如何这是非常值得中国人骄傲的科技成就。

我们再来看看世界上其他国家的核聚变实验装置。

国际热核聚变实验反应堆，简称为 ITER ，是目前通过国际合作，世界上最大规模的一项可控核聚变实验，他打算建造的也是托卡马克装置，预计 2021 年建成， 2025 年进行等离子体实验， 2035 年才能开始进行真正的核聚变实验。这个项目包括我国在内，总共有 7 个成员参与，装置坐落在法国，欧盟出了 45% 的钱，中国、美国、印度、日本、俄罗斯和韩国各出 9% 的资金。2016 年，澳大利亚也加入进来。

然后是美国的“国家点火装置”，简称为 NIF ，这个装置与托卡马克装置的原理的不同。它的原理是这样：把一台具有超大功率的巨型超级激光器射出的激光分割成192束，然后把这些激光束从各个方向均匀聚集在一个铅笔头大小的装满了聚变燃料的金质圆柱形容器上。这个容器会吸收大量的能量，然后向其中心释放出功率极大的X射线来压缩聚变燃料，以产生大量的核聚变反应。

你可以闭上眼睛想象一下，有 192 个人拿着激光枪，把一个小小的金属球包围住，然后同时发射激光，射向那个金属球，显然，这个装置的视觉壮观程度和科幻感比我国的人造太阳更强一点。假如科幻电影中要呈现核聚变装置的话，那 NIF 显然是首选。

你能想明白为什么真实的实验是要把一束激光分成 192 束，而不是用 192 把激光枪同时射击吗？我把这个问题留给你，希望你留言写下你的答案。

不过，到目前为止，国家点火设施尚未实现“点火”，什么才算点火成功呢？就是至少要达到输出能量多于输入能量吧，如果把输入能量定义为进入到金属球的能量，那目前只能达到三分之一的目标值。如果把标准弄的更苛刻一点，把输入能量定义为整个激光器发射的能量，那现在连百分之一的目标值都还没达到。所以， NIF 也还有很长的路要走。

除了 NIF ，美国人还有另外一个项目，叫磁化内衬惯性核聚变。它的原理是这样的：取来一个被冷却了的圆柱形容器，这其中装有核聚变燃料，再取来一台大功率激光器，从一侧对这个圆柱形容器进行照射，这样一来，这个容器种的燃料很快便会达到一个很高的温度。在这些燃料将向外炸裂之前，用功率大到不可思议的电容器组来引起程度剧烈的放电，这将创造出一个会让圆柱形容器向中心挤压的电磁场。简单来说，就是：先用激光束加热聚变燃料，然后把圆柱形容器给压扁。它目前也还没有达到能量的盈亏平衡。

世界各国的其他项目我就不多介绍了，总之，在这个领域，目前中国、美国保持在第一阵营。但是，我也必须客观地指出，国际热核聚变实验装置在一切顺利的情况下，也要等到 2035 年才能进行真正的核聚变实验，注意，还只是实验。所以，在我的有生之年，是否能看到世界上第一座核聚变发电厂，我是没怎么敢报太大希望的。至于像有些科幻爱好者期待的那样，制造出可以装在火箭中的核聚变引擎，这个我就更不敢想了，目前连理论上可行的设计方案都还没有呢。

之前我讲太空电梯的时候，有些听众觉得核聚变引擎的难度和太空电梯相差不大，说不定还是核聚变引擎先实现。这种观点现在很难证伪，但是从大概率来说，太空电梯应该会先实现，甚至可能会早得多。你们想啊，关于太空电梯的具体设计方案，至少是在理论上可行的设计方案都已经出现了几十年了，而其中涉及到的每一项具体技术，比如高强度的绳索，也都已经在实验室中实现了。说到这里，我还想到之前有听众留言说，太空电梯往上攀，会把天上的轨道舱给拽下来，因为有牛三定律。这个是误解了牛三，他没有弄清楚系统内力和外力之间的关系。其实，你可以想象一下你坐在一个热气球中，然后你顺着绳子往上爬，这个热气球是否会被你越拽越低呢？不会的，因为这是系统内力，并不会对你和气球构成的整体系统产生影响。这个道理与人不能拽着自己的头发把自己拽离地面的道理是一样的。

所以，在我看来，太空电梯和核聚变火箭发动机的实现难度，就好像是在上个世纪初讨论电子计算机和完美的保密通信谁能先实现一样，一个是理论、设计方案全都具备了，剩下的知识工程制造的难度。而完美的保密通信只有等到量子力学发展起来以后，人类才知道理论上该怎么去实现。所以，他们是认知等级上的差异，并不是工程技术难度上的差异。

如果未来核聚变发电厂成熟了，那么会给世界带来什么变化呢？这个变化将是革命性的巨变。为什么这么说，你仔细想一下，现在我们购买的几乎所有商品和服务中，都有一块比重不低的成本，就是能源成本。比如说，你买一包泡面，其中有一块不小的成本就是运输成本，生产制造过程中也一样需要能源，而超市的成本中有一块是电费。

由于核聚变燃料几乎是取之不竭的，所以，能源的成本不敢说可以忽略不计，但至少会产生一个数量级的下降，等到能源极大丰富的那一天，世界一定会变得更美好。而且，核聚变能源也被认为是最安全、清洁的能源，没有污染，也没有堆芯熔融的风险。当然啦，任何技术都可能会有未被充分考虑到的严重后果，可至少现在来看，一座能运转，而且在经济上可行的核聚变反应堆对人类来说似乎只有好处没有坏处。希望这句话不会出现在一本记载着人类傲慢自大的后启示录时代的历史书里。