一千個太陽：可控核聚變——
解決能源問題的終極手段
原子核反應
從古至今，人類對於太陽和火都有著孜孜不倦的追求和嚮往。無論是西方還是東方的神話故事，都表現了古代人類對於火種和太陽的探索。現代社會，人們無需再為尋覓火種而憂心忡忡，但卻不得不為即將到來的能源枯竭而殫精竭慮。伴隨著社會的飛速發展，人口的急劇增長，即使科技在不斷地進步，能源問題始終沒能一勞永逸地解決，而是不斷愈演愈烈。哪個國家能夠擁有足夠的能源和先進的科技，哪個國家才能夠擁有未來。
自從原子的核式結構被發現以來，科學家從微小的原子核之間的反應，找到了巨大的能量來源，隨著人類對於核反應研究的不斷深入，核能似乎成為人類解決能源問題的終極手段。1919年在英國卡文迪許實驗室，物理學家發現用阿爾法粒子轟擊氮核能夠放出質子即氫核，這個實驗也是世界上首次人工原子核反應實驗。
原子核反應是使原子核發生變化的物理反應，從實現途徑上來講可以分為天然核反應和人工核反應。天然核反應是不穩定原子核的自發衰變，不穩定的原子核會自發地衰變為更為穩定的原子核，在這個過程中會放出α射線(高速運動氦原子核)、β射線(高速運動電子流)和γ射線(γ光子束)。α、β、γ三種射線的貫穿能力依次遞增，電離能力依次遞減。射線對人體的傷害主要來自於電離能力，射線還會造成生物細胞內DNA斷裂引起細胞突變。其中，α射線的貫穿能力最弱，用一張普通紙就可以阻擋；γ射線在三種射線中的電離能力最弱，但對人體的傷害也是極大的，而且γ射線的貫穿能力極強，γ射線是比X射線更高能的電磁波。天然放射性元素主要是由重元素組成的三個放射系，即釷系、鈾系和錒系。三個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，是氫( )的一種同位素，也是核聚變的原料之一， 可以用於放射性示蹤和年代測定。人工核反應是通過加速器和反應堆使得原子核發生變化的反應。人工核反應對於科學生產生活的意義遠大於天然核反應。目前存在的2000多種放射性核素中，絕大多數是人工製造的。
原子核反應發生的原因是核力的存在，核力即核子核子之間發生的相互作用。標準模型認為，核力是強相互作用的剩餘相互作用。原子核的轉變方式除了核衰變以外，還有核裂變與核聚變。核裂變即較重的原子核分裂成幾個較輕的原子核，同時放出射線，裂變主要是二分裂，即裂變為兩個較輕的原子核，此外還有少量的三分裂和四分裂。1947年我國核物理學家錢三強和何澤慧等人在中子轟擊鈾原子核時首次觀察到三分裂現象。三分裂和二分裂出現的概率比約為3:1000，四分裂現象更加稀少。核聚變即較輕的原子核發生反應融合成較重的原子核的反應。眾所周知，核裂變和核聚變能夠放出大量的能量，而且核聚變放出的能量比核裂變放出的能量大得多。原因是什麼？這就需要了解原子核的結合能。我們知道，原子核是由質子和中子構成的，而原子核的質量並不是簡單的質子和中子的質量之和，即原子核的質量略小於組成核子的質量之和，這就是所謂的“質量虧損”。舉個簡單的例子，氫的一種同位素——氘( )，氘核是由一個質子和一箇中子組成，一個質子和一箇中子發生強烈的相互作用，中子被質子俘獲，並放出一個γ光子，從而形成氘核，這個過程叫做“輻射俘獲”。根據愛因斯坦的質能公式，放出的高能光子會帶走一部分“質量”，這就是發生質量虧損的原因，而這部分輻射放出的能量，就是氘核的結合能。我們可以從兩方面去理解結合能：一個是核子形成原子核所釋放出的能量，結合能越大，核子結合成原子核釋放出的能量就越大；另外一個是把原子核分成一個一個的核子所需要做的功，結合能越大，就越不容易把這個核分離為單個的核子。原子核物理裡面一個非常重要的概念是比結合能，比結合能定義為原子核的結合能B和原子核的質量數A的比值B/A。
▲圖一 原子核的比結合能曲線
▲圖二 原子核的平均核子質量
如圖一是比結合能B/A的實驗測定曲線。如果比結合能不是很好理解，我們還可以從另外一個角度去看待這個問題：即原子核的平均核子質量，很容易得到比結合能越大的原子核其核子的平均質量也越小，如圖二所示。從圖一和圖二我們可以得到非常有用的結論：比結合能隨著原子量發生變化，呈現出兩端低中間高，即比結合能在中等質量原子核附近出現飽和(從鐵Fe到錫Sn，原子量從55到120)；輕核聚變為較重的核、重核裂變為較輕的核，由於比結合能的升高或者說平均核子質量的降低，都能夠釋放能量；從曲線的斜率來看，輕核的聚變釋放的能量密度更高。這就是核能的本質，即原子核的結合能發生變化是釋放出的巨大能量。為什麼說這個能量是“巨大”的？我們可以通過下面的比較獲得直觀且震撼的認識：單位質量的氘聚變放出的能量是單位質量的鈾-235裂變放出的能量的4倍；1千克鈾-235裂變放出的能量相當於2700噸的優質煤燃燒釋放的能量；氘核質量約佔海水質量的十萬分之三，即1升海水中所含有的氘核約為0.03克，這0.03克氘核聚變釋放的能量相當於燃燒300升汽油所釋放的能量；儲存量巨大的新型能源可燃冰，其能量密度也只約為汽油能量密度的1/6。另外，從表1我們可以看到，各種主流能源的儲存量。因此，如果能夠利用核聚變釋放的核能，對於能源問題，人類將高枕無憂！
事實上，從20世紀20年代以來，科學家通過測量太陽以及各種恆星的光譜，發現太陽和各種恆星中主要包含豐富的氫和氦，氫是太陽和其他恆星中的燃料，氦是氫聚變後的產物，所以熾熱的太陽和天空中的大部分恆星的主要能量來源就是輕核的聚變。典型的反應如下式所示：
現有的物理學測算，太陽已經存在了46億年，並將繼續存在54億年，其生命期約為100億年，也就是輕核的聚變已經維持了太陽漫長的生命，並將繼續維持下去，直到聚變燃料枯竭，最終演變為白矮星，並且逐漸冷卻和暗淡下去。
核反應中非常重要的概念是反應截面，反應截面簡單理解就是反應概率，截面大反應的概率就大，截面小需要的反應時間就會非常長。恆星有著天然有利的引力條件，能夠把核燃料長時間約束在一個高溫環境中，使得核聚變能夠持續不斷的發生。目前唯一實現的人工核聚變反應就是氫彈的爆炸。氫彈又稱作熱核武器，是利用氫的同位素氘、氚的聚變。嚴格來說，目前的氫彈並不是單純的熱核聚變武器，而是一種三相彈，也稱作氫鈾彈，聚變反應是通過核裂變原子彈的爆炸產生的高溫高壓來實現的。但是，這種核聚變反應不可控，殺傷力巨大，是不可能用於聚變核電站的穩定的能量來源。在地球上，科學家為了能夠實現可控的核聚變反應，想出了各種各樣的方法。首先，為了增大反應截面，縮短反應時間，採用的是氘核聚變反應，而非太陽中的氫核聚變反應。反應方程式如下式所示：
這個聚變反應也是現在所有核聚變實驗所依據的反應方程式。為了使得這樣的反應能夠發生，科學家們一開始想的辦法是用加速器加速的氘核去轟擊固定的氘核靶，但是這樣的反應截面太小了，每100萬粒氘核打到含有氘核的靶上，只能發生1個聚變反應的事例。即使是兩束加速的氘核束流碰撞，發生聚變反應的概率也很低，而且由於強烈的電磁相互作用使得氘核發生大角度散射的概率非常大，一旦發生大角度散射，就無法進行聚變。最終，科學家們確定了用高溫等離子體的方法去實現核聚變反應。高溫等離子體即處在極高溫度環境下的氘核等離子體物質，由於溫度很高，氘核進行劇烈的無規則的熱運動，彼此不斷碰撞，大量的碰撞事例就會使得氘核能夠擁有足夠大的概率能夠發生核聚變反應。現在，各種核聚變實驗都是利用高溫等離子體去實現。
高溫等離子體實現核聚變反應需要滿足兩個條件：一是溫度足夠高，使得等離子體中的離子能夠克服巨大的庫倫斥力而發生聚變反應，這個特徵溫度要達到一億度以上；二是要足夠多的等離子約束在一個容器中足夠長的時間，現在主流的方法是磁約束，即用強磁場將等離子體約束在一億度以上的高溫環境中。現在磁約束主要是利用20世紀70年代蘇聯科學家發明的“託卡馬克”裝置。託卡馬克(Tokamak)裝置又被稱為環流器，是一個由環狀強磁場組成的真空磁籠。託卡馬克也是目前研究最為深入的核聚變發生裝置。1985年，美蘇兩國首腦提出了設計和建造國際熱核聚變實驗堆ITER的倡議，這一倡議也得到了國際原子能機構IAEA的支持。ITER的目標是建造一個可以自持點火的託卡馬克聚變實驗堆，驗證核聚變發電的可行性。經過各輪談判磋商，最終該計劃於2005年選址在法國的卡達拉舍。這是一個巨型工程，建成後將成為世界上最大的實驗性託卡馬克核聚變實驗堆。目前該項目由7個成員資助運行：歐盟、美國、俄羅斯、日本、中國、印度和韓國，其中歐盟貢獻ITER總費用的45%，其他成員各貢獻約9%。
▲圖三 D環形的託卡馬克(ITER)
<table><tbody>表一 ITER計劃大事件表
日期
事件201
2006.11.23
7個成員正式同意資助建造一個核聚變反應堆
2008
場地整理開始, ITER日程的開始
2009
場地整理完成
2010
託卡馬克建築的挖掘開始
2013
託卡馬克建築的施工開始
2015
託卡馬克組裝開始
2019
預測：託卡馬克組裝完成，環面抽真空啟動
2020
預測：成就第一個等離子體
2027
預測：啟動氘-氚操作
從表一我們也可以看出，雖然ITER集合了各國力量，但現在仍然處於實施階段，預計實現點火要等到2025年以後，而且，由於項目巨大，出現了資金拖延以及預算超支，各成員國也有國家(主要是美國)表示考慮退出。因此前景雖然巨大，但是期間存在的困難也非常大。鑑於這些超級巨大項目進展緩慢的經驗，一些公司將核聚變實現的希望寄於一些小型裝置上，這些小型裝置的特點是造價較低，能夠在短時間內進行大量的實驗，在極端條件之間尋找最佳的反應參數，以期能夠迅速簡稱一座商業化的聚變反應堆，物理細節問題和科學問題不是這些工程師所要考慮的首要問題，這些問題可以稍後再做考慮。這些公司包括位於美國的三阿爾法公司(Tri Alpha)和位於加拿大的通用聚變公司(General Fusion)。這些公司的嘗試也是非常有意義的，說不定有某些科學家尚未發現的物理問題阻礙著核聚變的前進，這些公司或許能夠率先發現問題所在。
核聚變，在地球上製造一千個人造小太陽，我們有理由相信，這樣偉大的夢想最終一定能夠實現。
中國科協各級組織要堅持為科技工作者服務、為創新驅動發展服務、為提高全民科學素質服務、為黨和政府科學決策服務的職責定位，推動開放型、樞紐型、平臺型科協組織建設。接長手臂，紮根基層，團結引領廣大科技工作者積極進軍科技創新，組織開展創新爭先行動，促進科技繁榮發展，促進科學普及和推廣，真正成為黨領導下團結聯繫廣大科技工作者的人民團體，成為科技創新的重要力量。——習近平
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