一千个太阳：可控核聚变——
解决能源问题的终极手段
原子核反应
从古至今，人类对于太阳和火都有着孜孜不倦的追求和向往。无论是西方还是东方的神话故事，都表现了古代人类对于火种和太阳的探索。现代社会，人们无需再为寻觅火种而忧心忡忡，但却不得不为即将到来的能源枯竭而殚精竭虑。伴随着社会的飞速发展，人口的急剧增长，即使科技在不断地进步，能源问题始终没能一劳永逸地解决，而是不断愈演愈烈。哪个国家能够拥有足够的能源和先进的科技，哪个国家才能够拥有未来。
自从原子的核式结构被发现以来，科学家从微小的原子核之间的反应，找到了巨大的能量来源，随着人类对于核反应研究的不断深入，核能似乎成为人类解决能源问题的终极手段。1919年在英国卡文迪许实验室，物理学家发现用阿尔法粒子轰击氮核能够放出质子即氢核，这个实验也是世界上首次人工原子核反应实验。
原子核反应是使原子核发生变化的物理反应，从实现途径上来讲可以分为天然核反应和人工核反应。天然核反应是不稳定原子核的自发衰变，不稳定的原子核会自发地衰变为更为稳定的原子核，在这个过程中会放出α射线(高速运动氦原子核)、β射线(高速运动电子流)和γ射线(γ光子束)。α、β、γ三种射线的贯穿能力依次递增，电离能力依次递减。射线对人体的伤害主要来自于电离能力，射线还会造成生物细胞内DNA断裂引起细胞突变。其中，α射线的贯穿能力最弱，用一张普通纸就可以阻挡；γ射线在三种射线中的电离能力最弱，但对人体的伤害也是极大的，而且γ射线的贯穿能力极强，γ射线是比X射线更高能的电磁波。天然放射性元素主要是由重元素组成的三个放射系，即钍系、铀系和锕系。三个放射系之外的一些元素的同位素也具有天然放射性，如 、 。 即氚，是氢( )的一种同位素，也是核聚变的原料之一， 可以用于放射性示踪和年代测定。人工核反应是通过加速器和反应堆使得原子核发生变化的反应。人工核反应对于科学生产生活的意义远大于天然核反应。目前存在的2000多种放射性核素中，绝大多数是人工制造的。
原子核反应发生的原因是核力的存在，核力即核子核子之间发生的相互作用。标准模型认为，核力是强相互作用的剩余相互作用。原子核的转变方式除了核衰变以外，还有核裂变与核聚变。核裂变即较重的原子核分裂成几个较轻的原子核，同时放出射线，裂变主要是二分裂，即裂变为两个较轻的原子核，此外还有少量的三分裂和四分裂。1947年我国核物理学家钱三强和何泽慧等人在中子轰击铀原子核时首次观察到三分裂现象。三分裂和二分裂出现的概率比约为3:1000，四分裂现象更加稀少。核聚变即较轻的原子核发生反应融合成较重的原子核的反应。众所周知，核裂变和核聚变能够放出大量的能量，而且核聚变放出的能量比核裂变放出的能量大得多。原因是什么？这就需要了解原子核的结合能。我们知道，原子核是由质子和中子构成的，而原子核的质量并不是简单的质子和中子的质量之和，即原子核的质量略小于组成核子的质量之和，这就是所谓的“质量亏损”。举个简单的例子，氢的一种同位素——氘( )，氘核是由一个质子和一个中子组成，一个质子和一个中子发生强烈的相互作用，中子被质子俘获，并放出一个γ光子，从而形成氘核，这个过程叫做“辐射俘获”。根据爱因斯坦的质能公式，放出的高能光子会带走一部分“质量”，这就是发生质量亏损的原因，而这部分辐射放出的能量，就是氘核的结合能。我们可以从两方面去理解结合能：一个是核子形成原子核所释放出的能量，结合能越大，核子结合成原子核释放出的能量就越大；另外一个是把原子核分成一个一个的核子所需要做的功，结合能越大，就越不容易把这个核分离为单个的核子。原子核物理里面一个非常重要的概念是比结合能，比结合能定义为原子核的结合能B和原子核的质量数A的比值B/A。
▲图一 原子核的比结合能曲线
▲图二 原子核的平均核子质量
如图一是比结合能B/A的实验测定曲线。如果比结合能不是很好理解，我们还可以从另外一个角度去看待这个问题：即原子核的平均核子质量，很容易得到比结合能越大的原子核其核子的平均质量也越小，如图二所示。从图一和图二我们可以得到非常有用的结论：比结合能随着原子量发生变化，呈现出两端低中间高，即比结合能在中等质量原子核附近出现饱和(从铁Fe到锡Sn，原子量从55到120)；轻核聚变为较重的核、重核裂变为较轻的核，由于比结合能的升高或者说平均核子质量的降低，都能够释放能量；从曲线的斜率来看，轻核的聚变释放的能量密度更高。这就是核能的本质，即原子核的结合能发生变化是释放出的巨大能量。为什么说这个能量是“巨大”的？我们可以通过下面的比较获得直观且震撼的认识：单位质量的氘聚变放出的能量是单位质量的铀-235裂变放出的能量的4倍；1千克铀-235裂变放出的能量相当于2700吨的优质煤燃烧释放的能量；氘核质量约占海水质量的十万分之三，即1升海水中所含有的氘核约为0.03克，这0.03克氘核聚变释放的能量相当于燃烧300升汽油所释放的能量；储存量巨大的新型能源可燃冰，其能量密度也只约为汽油能量密度的1/6。另外，从表1我们可以看到，各种主流能源的储存量。因此，如果能够利用核聚变释放的核能，对于能源问题，人类将高枕无忧！
事实上，从20世纪20年代以来，科学家通过测量太阳以及各种恒星的光谱，发现太阳和各种恒星中主要包含丰富的氢和氦，氢是太阳和其他恒星中的燃料，氦是氢聚变后的产物，所以炽热的太阳和天空中的大部分恒星的主要能量来源就是轻核的聚变。典型的反应如下式所示：
现有的物理学测算，太阳已经存在了46亿年，并将继续存在54亿年，其生命期约为100亿年，也就是轻核的聚变已经维持了太阳漫长的生命，并将继续维持下去，直到聚变燃料枯竭，最终演变为白矮星，并且逐渐冷却和暗淡下去。
核反应中非常重要的概念是反应截面，反应截面简单理解就是反应概率，截面大反应的概率就大，截面小需要的反应时间就会非常长。恒星有着天然有利的引力条件，能够把核燃料长时间约束在一个高温环境中，使得核聚变能够持续不断的发生。目前唯一实现的人工核聚变反应就是氢弹的爆炸。氢弹又称作热核武器，是利用氢的同位素氘、氚的聚变。严格来说，目前的氢弹并不是单纯的热核聚变武器，而是一种三相弹，也称作氢铀弹，聚变反应是通过核裂变原子弹的爆炸产生的高温高压来实现的。但是，这种核聚变反应不可控，杀伤力巨大，是不可能用于聚变核电站的稳定的能量来源。在地球上，科学家为了能够实现可控的核聚变反应，想出了各种各样的方法。首先，为了增大反应截面，缩短反应时间，采用的是氘核聚变反应，而非太阳中的氢核聚变反应。反应方程式如下式所示：
这个聚变反应也是现在所有核聚变实验所依据的反应方程式。为了使得这样的反应能够发生，科学家们一开始想的办法是用加速器加速的氘核去轰击固定的氘核靶，但是这样的反应截面太小了，每100万粒氘核打到含有氘核的靶上，只能发生1个聚变反应的事例。即使是两束加速的氘核束流碰撞，发生聚变反应的概率也很低，而且由于强烈的电磁相互作用使得氘核发生大角度散射的概率非常大，一旦发生大角度散射，就无法进行聚变。最终，科学家们确定了用高温等离子体的方法去实现核聚变反应。高温等离子体即处在极高温度环境下的氘核等离子体物质，由于温度很高，氘核进行剧烈的无规则的热运动，彼此不断碰撞，大量的碰撞事例就会使得氘核能够拥有足够大的概率能够发生核聚变反应。现在，各种核聚变实验都是利用高温等离子体去实现。
高温等离子体实现核聚变反应需要满足两个条件：一是温度足够高，使得等离子体中的离子能够克服巨大的库伦斥力而发生聚变反应，这个特征温度要达到一亿度以上；二是要足够多的等离子约束在一个容器中足够长的时间，现在主流的方法是磁约束，即用强磁场将等离子体约束在一亿度以上的高温环境中。现在磁约束主要是利用20世纪70年代苏联科学家发明的“托卡马克”装置。托卡马克(Tokamak)装置又被称为环流器，是一个由环状强磁场组成的真空磁笼。托卡马克也是目前研究最为深入的核聚变发生装置。1985年，美苏两国首脑提出了设计和建造国际热核聚变实验堆ITER的倡议，这一倡议也得到了国际原子能机构IAEA的支持。ITER的目标是建造一个可以自持点火的托卡马克聚变实验堆，验证核聚变发电的可行性。经过各轮谈判磋商，最终该计划于2005年选址在法国的卡达拉舍。这是一个巨型工程，建成后将成为世界上最大的实验性托卡马克核聚变实验堆。目前该项目由7个成员资助运行：欧盟、美国、俄罗斯、日本、中国、印度和韩国，其中欧盟贡献ITER总费用的45%，其他成员各贡献约9%。
▲图三 D环形的托卡马克(ITER)
<table><tbody>表一 ITER计划大事件表
日期
事件201
2006.11.23
7个成员正式同意资助建造一个核聚变反应堆
2008
场地整理开始, ITER日程的开始
2009
场地整理完成
2010
托卡马克建筑的挖掘开始
2013
托卡马克建筑的施工开始
2015
托卡马克组装开始
2019
预测：托卡马克组装完成，环面抽真空启动
2020
预测：成就第一个等离子体
2027
预测：启动氘-氚操作
从表一我们也可以看出，虽然ITER集合了各国力量，但现在仍然处于实施阶段，预计实现点火要等到2025年以后，而且，由于项目巨大，出现了资金拖延以及预算超支，各成员国也有国家(主要是美国)表示考虑退出。因此前景虽然巨大，但是期间存在的困难也非常大。鉴于这些超级巨大项目进展缓慢的经验，一些公司将核聚变实现的希望寄于一些小型装置上，这些小型装置的特点是造价较低，能够在短时间内进行大量的实验，在极端条件之间寻找最佳的反应参数，以期能够迅速简称一座商业化的聚变反应堆，物理细节问题和科学问题不是这些工程师所要考虑的首要问题，这些问题可以稍后再做考虑。这些公司包括位于美国的三阿尔法公司(Tri Alpha)和位于加拿大的通用聚变公司(General Fusion)。这些公司的尝试也是非常有意义的，说不定有某些科学家尚未发现的物理问题阻碍着核聚变的前进，这些公司或许能够率先发现问题所在。
核聚变，在地球上制造一千个人造小太阳，我们有理由相信，这样伟大的梦想最终一定能够实现。
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