科普核聚變補遺
科普核聚變補遺
袁嵐峰
2015年4月，我寫了一篇《科普核聚變》（http://zhuanlan.zhihu.com/p/20771545），解釋核聚變的基本原理，以及中國最新的核聚變裝置「科大一環」。寫完以後想到還有一些值得講的，讀者也提出了一些問題，就在這裡以問答的形式補充一下。
問：E = mc^2，能量只和物質質量有關？和物質種類無關？
答：是的。這正是相對論的神奇之處，完全不依賴於物質的具體性質，因為它的推導僅僅基於相對性原理和光速不變原理。一個理論的普適性越強，在科學中的地位就越高。愛因斯坦從極少的前提得出了極其豐富的結論，所以是科學史上的超級大神。
愛因斯坦和質能方程
問：核聚變為什麼很難發生？
答：質能關係只能告訴你核反應發生前後的能量變化，但不會告訴你反應的過程。核聚變要發生，必須首先讓兩個原子核靠得非常近。非常近是多近？在10^(-15)米的量級。要知道，一個原子中原子核跟電子的距離都有10^(-10)米的量級，也就是說，兩個原子核要靠近到比原子的尺度小10萬倍才能聚變！在這樣一個小得不可思議的距離下，核子之間具有很強的吸引力（核力）。然而核力隨著距離的增加下降得非常快，稍微遠一點就幾乎為零了。打個比方，核子就像一對近視度數很深的戀人，離得很近時會拉住手，但離得稍遠時就看不見了，形同路人。
這就帶來一個嚴重的問題。核子包括質子和中子，中子沒有電荷，但質子有正電荷，所以質子和質子之間具有靜電排斥力，根據庫侖定律這個力反比於距離的平方。當距離小到10^(-15)米的量級時，核力的吸引超過靜電力的排斥，兩個原子核會聚合到一起，放出大量的能量。但它們很難從正常的距離（比如說10^(-9)米）開始達到這麼近，因為在這種距離下核力小於靜電力，凈作用是排斥的。好比戀人們都穿著紅色衣服，而紅色跟紅色之間互斥，離得很遠時就會互相推開，那麼他們還有多少機會接近到足以拉上手？
當然，不是完全不可能。如果兩個原子核一開始的運動方向就是相向而行，而且初速度很高，那麼它們會一邊靠近一邊減速，原則上有可能在相對速度減到零之前達到10^(-15)米的距離。這就是發生核聚變的希望。
問：為什麼高溫高壓有助於發生核聚變？
答：溫度正比於原子核的動能，相當於原子核運動的劇烈程度。壓強是原子核對容器產生的撞擊作用，相當於原子核運動的受限程度。在越小的空間里運動得越劇烈，兩個原子核克服靜電排斥達到聚變距離的可能性就越大。好比原子核是一群宅男宅女，宅在家裡是沒有前途的，要找到對象就必須出去跟人接觸，相親的誠意越高、次數越多，才越有機會脫單。
高溫和高壓的效果在一定程度上可以互換。在太陽中心，由於壓強高達2000億個大氣壓，所以「只需要」1500萬度的「低溫」就可以把氫聚合成氦。但在地球上，由於壓強達不到那麼高，所以得把溫度提高到上億度才行。
太陽
問：核裂變為什麼比核聚變容易得多？
答：核聚變的困難來自兩個原子核接近時質子之間的靜電排斥力，而核裂變只需要一個原子核分裂成幾部分，要克服的是核力。如果一個原子核很穩定，核力很強，那麼它就不會裂變。如果一個原子核不穩定，核力很弱，那麼它很容易就會裂變。這裡的關鍵是，外界的溫度、壓強隻影響原子核之間的運動狀態，而對於原子核內部完全沒有影響。同理，化學組成隻影響原子中電子的狀態，對原子核內部也完全沒有影響。無論是純的鈾238還是鈾238的氧化物，單個鈾238原子核發生裂變的難易程度都是一樣的。因此，只要裂變能發生，那麼常溫常壓下它就會發生，而如果裂變不能發生，那麼加再高的溫度壓強也不會發生。我們挑選出來造核武器、核電站的都是容易裂變的原子核，常溫常壓下就能運作，所以給人的印象就是核裂變很容易。
問：我們現在到底能不能實現可控核聚變？如果不能，那些核聚變裝置是幹什麼的？如果能，為什麼還不能實用？
答：這其實是一個語言問題，即什麼叫做「實現」了可控核聚變。真正定量的判斷標準，是看核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量的比例，稱為Q值。在普通的條件下，Q = 0，即沒有能量輸出，完全沒有發生核聚變。外界條件提高到一定程度，Q開始大於0了，但還小於1，這時你可以說已經實現了可控核聚變。但是能量輸出小於能量輸入，能量買賣越做越虧，不能實用，所以你也可以說還沒有實現可控核聚變。口頭語言怎麼說都行，科學家並不在意，真正重要的是定量的數學語言。條件再提高到一定程度，Q > 1，能量輸出大於輸入，能量買賣有利可圖，這可就不得了，能夠實用了。這還沒完，條件再提高到某種程度，Q會成為無窮大，也就是說不需要能量輸入都能產生能量輸出。實際的意思是，只需要一次點火就夠了，然後體系放出的能量就足以支持核聚變持續進行下去，不再需要外界的能量輸入。
那麼人類的這麼多核聚變裝置，達到了什麼水平呢？大部分還在Q = 0的區域里撲騰，只是擺個pose，鍛煉一下隊伍。有一些進入了0 < Q < 1的區域，能夠發生一點核聚變，不過總能量還是虧損的。這已經很不錯，能進行實際研究了。
2014年2月，美國國家點火裝置（NIF）的研究者用前面提到的慣性約束法，用192支激光加熱和壓縮燃料芯塊，第一次實現了「燃料增益」，即輸出的能量大於燃料吸收的能量。這是個了不起的成就，入選了中國兩院院士評選的2014年十大國際科技新聞（兩院院士評選出2014年國內國際十大科技新聞）。不過總的能量收支仍然是虧損的，因為燃料只吸收了外界激光輸入的一小部分能量，還有很多能量是被包裹燃料的容器吸收的。下一步的目標是實現「總增益」，即能量輸出大於總的能量輸入，Q > 1。
問：聽說洛克希德馬丁宣布要在十年內造出實際運行的核聚變反應堆？
答：嗯，這則消息很詭異。2014年10月洛克希德馬丁公司宣布取得技術突破，最快可在一年內完成新反應堆的設計、構建與測試，並可在未來十年內誕生實際運行的反應堆。如果說單說這句話我還是將信將疑，那麼他們的另一句就讓我呵呵了：構建一個功率為100兆瓦、規格為7 × 10英尺的反應堆具有技術可行性，並且可安裝在大型卡車的後端，新反應堆的規格可比目前的反應堆縮小10倍。這宣傳的重點完全不對嘛！事實上你既然要實用化，那就要Q > 1，而在這個限制條件下根本就不存在「目前的反應堆」。如果你能實現Q > 1，那麼即使你的反應堆比目前的大10倍，花的時間不是10年而是20年，也全都不是問題，大家都會承認你是劃時代的進步。這個真正的要點不提，跑來扯什麼縮小10倍，搞什麼鬼！就像在電報的時代，你宣布發明了電話，這種新的通信方式本身已經非常了不起，結果你卻在大吹電話比電報機小10倍，這不能不讓人懷疑你的發明是假的。
那麼，洛克希德馬丁究竟是不是吃錯藥了？如果不是，他們的底氣從何而來？我覺得，他們八成是吃錯藥了。另外兩成呢，是他們自認為找到了「冷聚變」的辦法，即在常溫常壓下實現核聚變。冷聚變這東東是個大坑，許多科學家都參與過研究，屢次報道有實驗證據，掀起熱潮，但從來沒有獲得過確認，逐漸又冷下來了。從常理而論，我覺得冷聚變是不可能的，因為如前面的分析，克服質子之間的靜電排斥需要極高的能量，用普通的手段無法實現。但是誰知道呢？大自然不止一次地給了我們驚奇。冷聚變畢竟不違反能量守恆等基本原理，不像永動機那樣是絕對的不可能。所以我覺得對冷聚變還是應該持開放的態度。當然，搞不出來的可能性遠遠高於搞出來的可能性，不過它至少是一個嚴肅的研究領域，而不是騙局。
問：可控核聚變什麼時候能實用化？
答：最基本的回答是：無法預測。有人說要25年，有人說到2050年左右，這些都屬於自由猜想，姑妄聽之即可。這東西和造原子彈不一樣。原子彈的物理原理是很清楚的，只要足夠多的高濃度的鈾放在一起，空氣中的中子就會引發鏈式反應，立刻爆炸。所以造原子彈的瓶頸因素就是濃縮鈾，濃縮鈾的進度又取決於濃縮技術，如離心機，因此很容易預測一個國家什麼時候能核爆。可控核聚變卻迄今連技術路線都沒確定，怎麼可能做出準確的預測？如果能在煤炭、石油、天然氣等化石能源耗盡之前發展出來固然是好的，如果不能那也沒辦法，只能怪人類命不好，或者不夠努力。早幹什麼去了，愚蠢的人類！
問：如果到化石能源耗盡都發展不出可控核聚變，人類怎麼辦？
答：作為對化石能源的替代方案，最靠譜的是太陽能，因為它是可再生能源。目前青海德令哈50兆瓦塔式太陽能光熱發電站佔地面積3.3平方公里，規劃總裝機容量50兆瓦，年發電量1.2億度。2014年全國發電量5.4萬億度，按這個數據，4.5萬座德令哈塔式太陽能光熱電站就能完全替代火電，總佔地面積14.85萬平方公里。把塔克拉瑪干沙漠（33萬平方公里）拿出一半來就足以滿足全中國的電力需求（鳴謝@鐳射A ）。此外，著名納米材料學家、科大校友楊培東的研究組最近實現了人工光合作用，用二氧化碳和水合成醋酸酯，也是一條利用太陽能的技術路線（見我2015年4月的文章《基因改造，光合作用，中國科學家打開兩項黑科技大門》http://zhuanlan.zhihu.com/p/20787823）。大力發展太陽能可以保證我們在化石能源耗盡後的生存，這是大戰略。至於核聚變，就當它是傳說中的大招，使勁憋吧，憋出來就天下無敵了，但千萬不要在任何具體的時間指望它。
問：可控核聚變能使人類文明發生多大的變化？
答：舉個劉慈欣《三體》中的例子。在此書中我最敬佩的人是章北海。一般科幻小說里只有一位救世主，《三體》里卻有好幾位救世主。章北海是其中最積極主動、最可歌可泣、可調動的資源最少而成就最大的，應該當之無愧地稱為頭號救世主。
章北海
在組建太空軍時，總部把太空戰爭理論研究分成獨立的三部分，分別是低技術戰略、中技術戰略和高技術戰略，以適應未來人類世界可能達到的各種技術層次。太空軍司令員常偉思讓32名政治部的軍官選擇進入哪個研究室，結果是有24人選擇低技術戰略研究室，7人選擇中技術戰略研究室，選擇高技術戰略研究室的只有章北海一人。
「看來，北海同志是立志成為一名科幻愛好者了。」有人說，引出一些笑聲。
「我選擇的是勝利的唯一希望，只有達到這一技術層次（按：飛船的速度達到第三宇宙速度的1000倍左右，即16000公里每秒，也就是光速的5%；飛船具有完全生態循環能力），人類才有可能建立有效的太陽系防禦系統。」章北海說。
「現在連可控核聚變都沒有掌握，把萬噸戰艦推進到光速的百分之五？讓這些龐然大物比現在人類那些卡車大小的飛船還要快上一千倍？這連科幻都不是，是奇幻吧？」
「不是還有四個世紀（按：三體侵略軍的艦隊將在400多年後到達太陽系）嗎？要用發展的眼光看問題。」
「可是物理學基礎理論已經不可能再發展了（按：三體派出的智子擾亂了人類的高能物理實驗，使人類的物理基礎理論無法再進步）。」
「現有理論的應用潛力可能連百分之一都還沒有挖掘出來。」章北海說，「我感覺，現在最大的問題是科技界的研究戰略，他們在低端技術上耗費大量資源和時間。以宇宙發動機為例，裂變發動機根本就沒有必要搞，可現在，不但投入巨大的開發力量，甚至還在投入同樣的力量去研究新一代的化學發動機！應該直接集中資源研究聚變發動機，而且應該越過工質型的，直接開發無工質聚變發動機。」
我們在這裡不討論發動機有無工質的問題。只需確認一點：核聚變是人類進行星際航行唯一可靠的能源。單憑這一點，就可以引出無窮的想像空間。人類文明將從匍匐在地球上的弱小文明，一躍成為能夠在星辰大海中穿行的高級文明。
再讓我們想起，所有恆星的能量都來自核聚變。《正氣歌》說：「天地有正氣，雜然賦流形。下則為河嶽，上則為日星。」是的，我們將用日星的能量上升到神的高度。
2015年4月寫作原文（科普核聚變補遺），2016年4月修訂發佈於知乎專欄「風雲之聲」（http://zhuanlan.zhihu.com/fengyun）。
作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，中國科學技術大學科技與戰略風雲學會會長，微博@中科大胡不歸 ，知乎@袁嵐峰n（袁嵐峰）。
歡迎關注中國科學技術大學科技與戰略風雲學會的頭條號「風雲之聲」（風雲之聲 – 頭條號(TouTiao.com)）。
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