科學聲音經典科普好文回顧
本文初次釋出於2019 年 1 月 14 日
>> 本期內容改編自湖南科技出版社的《迷人的技術》，本節目的播出已經獲得了湖南科技出版社的授權，在此表示感謝。
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上個世紀，人類發明出了原子彈和氫彈，它們被統稱為核彈。原子彈爆炸利用的是核裂變，也就是一個較重的原子衰變成較輕的原子，在這個過程中會釋放出能量。而氫彈爆炸的原理是讓兩個氫原子結合成一個氦原子，這個過程專業術語叫聚變，聚合的聚，同樣也會釋放出能量。
這個知識點我估計絕大多數聽眾都具備，這差不多都快成了常識了。但我們今天是專門來講核聚變，所以對核聚變不能停留在這麼初級的認知上，我們需要多瞭解一些細節。
氫元素在自然界中是極為常見的，比如水分子的學名就是一氧化二氫，一個氧原子結合了兩個氫原子形成了水。在中學實驗中，有一個很著名的實驗，就是電解水得到氫氣和氧氣。但是，如果你以為氫彈的原料可以這麼輕易地獲得的話，那就錯了。實際上，不是每個氫原子都相同的。
接下去，我們要了解一下為什麼兩個氫原子聚變成一個氦原子時會釋放出能量。這是因為維持作為氦的原子組態比維持作為氫的原子組態所需的能量要少。這句話可能讓你理解起來比較費勁，我們用一把古代射箭用的弩來打比方。同樣是兩把弩，一把弩的弓弦是鬆弛的，一把弩的弓弦是緊繃的，這兩把弩它們蘊藏的能量是不同的。如果我們做一個精確的實驗，把這兩把弩分別放到同等質量的酸液中，這兩把弩都溶解後，溶解弓弦緊繃的弩的酸液的溫度就會更高一些。
這就是大自然給我們定下的神聖法則：能量守恆。
所以，當兩個氫原子聚變成氦原子時，就會釋放出能量。當然，根據愛因斯坦的質能公式，我們也能推算出，在聚變前後，原子的總質量會減小。對絕對大多的核聚變反應來說，至少需要一個帶有額外中子的氫同位素。一般來說，同位素合併後釋放出的能量來自於那些額外中子中被高速“踢出”的那一個。
以上這些就是核聚變釋放能量的原理，在這個過程中釋放出的能量是巨大的，大到什麼程度呢？按照書裡的說法，你洗一次澡用的那點水中含有的氘，如果發生聚變反應，就可以釋放出相當於 40 噸煤炭產生的能量。
有些小朋友可能會問？那為什麼我們洗澡的時候不會被燒死呢？原因是核聚變反應很難發生，兩個原子核很難靠近，因為質子帶電，而同性的電會產生排斥力，阻止兩個原子核靠的很近。
想讓兩個氫原子核靠的足夠近的辦法其實說出來也不難，你想象一下，你現在把一塊磁鐵的南極對著另一塊磁鐵的南極扔過去，如果速度慢的話，磁鐵之間的排斥力就會把你扔過去的磁鐵給彈開。但如果你扔的足夠快，它們就能撞到一起。
實際上，氫彈就是這麼製造出來的。原理是這樣，首先我們製作一個充滿氫元素的球體，然後，在球體的外面引爆一堆的原子彈，產生的能量會把這個球體向內壓縮，當這個力量大到一定程度，氫原子就能衝破電磁力，撞在一起發生聚變反應。
但問題是，到目前為止，氫彈的這種核聚變方式只能用來做炸彈，沒辦法用來做其他事情。原因很簡單，我們無法控制氫彈能量釋放的速度，它總是在一瞬間就釋放出驚人的能量，這股能量大到足以摧毀摧毀它周圍的一切。如果我們想用氫彈來燒鍋爐不是不可以，問題在於我們造不出足夠堅固的鍋爐不被炸燬。
有些人可能會想，那能不能在一個巨大的水庫，或者說一個巨大的湖泊中爆炸一顆氫彈，讓水吸收氫彈的能量，水溫升高，不就把這部分能量儲存下來了嗎？想的倒是挺美，但問題是，氫彈的爆炸威力實在太大，除非在大洋中爆炸，否則不管在地球上哪個湖泊爆炸，這個湖泊都吃不消。還有，引爆氫彈需要原子彈，被原子彈炸過的水，那就被核汙染了，沒法用了。
因此，說到這裡你可能明白了，核聚變技術並不難，難的是可以被控制的緩慢釋放能量的核聚變，這樣才能把這部分能量收集起來為我所用。我們接下來講第二個關鍵詞“可控”。
其實，可能大多數人不知道，要設法弄出一個緩慢釋放能量的核聚變反應並不難，甚至說是相當容易的，容易到你甚至能自己在家裡 DIY 出一個核聚變裝置。我似乎隔著電波看到你露出了一個詫異的表情，或許你還忍不住想給我一個“呵呵”。
嘿嘿，你聽我完。
首先，你去淘寶買一大一小兩個法拉第籠，其實就是一個球形的金屬籠子，很容易買到。把小的金屬籠設法固定到大的金屬籠子的正中間。然後，你用兩根導線分別接到兩個籠子上，在兩根導線的另外一端加一個直流恆壓源。這樣，兩個籠子之間就會產生一個電位差。把這個裝置放進一間真空室裡，接下去的關鍵一步，是要向這兩隻籠子之間加入一些氘氣。
問題是，氘氣你可能買不到，這涉及國家安全，如果你不想上恐怖分子的黑名單。還有一個辦法就是買一些“重水”，所謂的重水就是一氧化二氘，這是可以在淘寶上買到的，我查了一下， 200 元就能買到 25 ml。好吧，我承認，到目前為止，聽起來像是一個民科在兜售自己的“諾獎級”發明，但我真的沒有開玩笑。
你可以電解重水得到氘氣，不過這裡有一個很難的步驟，就是要設法把氘氣中多餘的水蒸氣給去除，水分子會毀了我們的實驗。移除這些水蒸氣有不同的辦法，比方說，你可以讓這些氣體穿過一根很冷的管子，水蒸氣會在管壁上冷凝，或者你可以只是讓氣體從某種表面積很大的物體中穿過，例如棉花。好了，假設你弄到出了比較純淨的氘氣，現在就把它們注入到籠子中吧。
帶正電荷的外籠會把氘向中心推，而帶負電荷的內籠會把氘往中心拉，這樣就會有一些氘原子核撞在一起，發生聚變反應。等等，聽到這裡，我估計你要跳出來嘲笑我了，因為我在幾分鐘前還在告訴大家因為電磁力的存在，兩個原子核想要撞在一起有多不容易。其實並不矛盾，從宏觀上來看，氘原子核的確不太可能撞在一起。但問題是，自然界還存在一種叫量子遂穿效應的神奇現象，原子核有微小的機率能夠突破能量壁壘。就好像你把一個小球往牆上扔，極大多數情況下，小球都被反彈回來，可是，存在一個微小的機率，小球能夠穿牆而過。這在宏觀世界不可能發生，但是在微觀世界，它就有可能發生。
因此，我們這個裝置確實是一個核聚變裝置，從統計來看，每時每刻都有若干個氘原子發生了核聚變，而且這個過程是緩慢的。如果我因此宣稱自己做出了諾獎級的發明，搞定了可控核聚變技術，那就真成了民科了，不過你可能想知道，這個裝置為什麼沒法實用呢？
前面說的那個裝置不是科學家們想要的可控核聚變裝置的原因在於，我們必須要消耗電力才能讓核聚變反應發生，但是核聚變發生的機率實在太小，導致整個裝置能夠輸出的能量小於輸入的能量，也就是說，它無法對外做功，所以不能用來發電。不過，這個裝置對於科學家們研究核聚變反應本身還是有價值的，只是說沒有商業價值。
所以，你們經常在媒體上看到的“可控核聚變”技術，實際上有兩個必不可少的要求：一是能量的釋放要可控；二是輸出的能量要大於輸入的能量。
要達到這兩個要求，有一種非常著名的設計方案，叫做“託卡馬克”裝置。這個也被稱為環磁機，是一種利用磁約束原理設計的核聚變發生器，最早是蘇聯時期的俄羅斯科學家在 1950 年提出的。這個“託卡馬克”既不是一個人名，也不是一個地名，而是根據幾個英文單詞“環形、真空室、磁、線圈”的首字母造出來的一個詞。
它的原理是這樣的：在這個裝置的中央是一個長得像輪胎一樣的環形真空室，外面纏繞著多組一定形態的線圈，給線圈通電，就能產生一個環形的磁場。這樣一來，就能把高溫的等離子體給約束在這個環形真空室中。把氘原子充入真空室，然後利用微波等方式給它加熱，當加熱到幾千萬度的高溫時，核聚變反應就會開始發生了。這裡面有個關鍵點是，線圈必須要用超導材料製成，否則通電後，線圈本身就會被加熱燒掉。而超導材料都是要在接近絕對零度的情況下才才能保持超導特性，這就相當於要用一個零下269度的線圈包住一個幾千萬上億度的輪胎，還不能讓線圈升溫，你可以理解它的難度之一了吧。
圖：“託卡馬克”裝置原理示意圖
全世界很多國家都在設計製造託卡馬克裝置，我國也不例外，而且我很高興地告訴大家，我國的託卡馬克裝置已經取得了世界領先的地位。
我國的這個裝置全稱是“全超導託卡馬克實驗裝置”，坐落在合肥，英文簡稱是 EAST ，但是在媒體上，它還有一個更加流行的名稱，叫“中國人造太陽”。它有幾個里程碑， 2006 年 9 月，首次成功放電。十年後的 2016 年 1 月，溫度做到了 5000 萬度，持續時間 102 秒，這時候就已經是世界領先了。到了 2018 年 11 月，我們又實現了 1 億度的高溫，持續時間是 10 秒，大幅取得了的世界領先。本期文稿中附了兩張它的照片，但是這裡提請大家注意一點，目前的人造太陽加熱的還不是核聚變原料，只是等離子體。從我看到的材料來看，這個裝置的終極目標是實現 1 億度的等離子，持續時間 1000 秒，並沒有打算進行真正的核聚變反應。所以，這離實現真正的可實用的可控核聚變技術，還有非常長的路要走，但無論如何這是非常值得中國人驕傲的科技成就。
我們再來看看世界上其他國家的核聚變實驗裝置。
國際熱核聚變實驗反應堆，簡稱為 ITER ，是目前透過國際合作，世界上最大規模的一項可控核聚變實驗，他打算建造的也是託卡馬克裝置，預計 2021 年建成， 2025 年進行等離子體實驗， 2035 年才能開始進行真正的核聚變實驗。這個專案包括我國在內，總共有 7 個成員參與，裝置坐落在法國，歐盟出了 45% 的錢，中國、美國、印度、日本、俄羅斯和韓國各出 9% 的資金。2016 年，澳大利亞也加入進來。
然後是美國的“國家點火裝置”，簡稱為 NIF ，這個裝置與託卡馬克裝置的原理的不同。它的原理是這樣：把一臺具有超大功率的巨型超級雷射器射出的雷射分割成192束，然後把這些雷射束從各個方向均勻聚集在一個鉛筆頭大小的裝滿了聚變燃料的金質圓柱形容器上。這個容器會吸收大量的能量，然後向其中心釋放出功率極大的X射線來壓縮聚變燃料，以產生大量的核聚變反應。
你可以閉上眼睛想象一下，有 192 個人拿著雷射槍，把一個小小的金屬球包圍住，然後同時發射雷射，射向那個金屬球，顯然，這個裝置的視覺壯觀程度和科幻感比我國的人造太陽更強一點。假如科幻電影中要呈現核聚變裝置的話，那 NIF 顯然是首選。
不過，到目前為止，國家點火設施尚未實現“點火”，什麼才算點火成功呢？就是至少要達到輸出能量多於輸入能量吧，如果把輸入能量定義為進入到金屬球的能量，那目前只能達到三分之一的目標值。如果把標準弄的更苛刻一點，把輸入能量定義為整個雷射器發射的能量，那現在連百分之一的目標值都還沒達到。所以， NIF 也還有很長的路要走。
除了 NIF ，美國人還有另外一個專案，叫磁化內襯慣性核聚變。它的原理是這樣的：取來一個被冷卻了的圓柱形容器，這其中裝有核聚變燃料，再取來一臺大功率雷射器，從一側對這個圓柱形容器進行照射，這樣一來，這個容器種的燃料很快便會達到一個很高的溫度。在這些燃料將向外炸裂之前，用功率大到不可思議的電容器組來引起程度劇烈的放電，這將創造出一個會讓圓柱形容器向中心擠壓的電磁場。簡單來說，就是：先用雷射束加熱聚變燃料，然後把圓柱形容器給壓扁。它目前也還沒有達到能量的盈虧平衡。
世界各國的其他專案我就不多介紹了，總之，在這個領域，目前中國、美國保持在第一陣營。但是，我也必須客觀地指出，國際熱核聚變實驗裝置在一切順利的情況下，也要等到 2035 年才能進行真正的核聚變實驗，注意，還只是實驗。所以，在我的有生之年，是否能看到世界上第一座核聚變發電廠，我是沒怎麼敢報太大希望的。至於像有些科幻愛好者期待的那樣，製造出可以裝在火箭中的核聚變引擎，這個我就更不敢想了，目前連理論上可行的設計方案都還沒有呢。
之前我講太空電梯的時候，有些聽眾覺得核聚變引擎的難度和太空電梯相差不大，說不定還是核聚變引擎先實現。這種觀點現在很難證偽，但是從大機率來說，太空電梯應該會先實現，甚至可能會早得多。你們想啊，關於太空電梯的具體設計方案，至少是在理論上可行的設計方案都已經出現了幾十年了，而其中涉及到的每一項具體技術，比如高強度的繩索，也都已經在實驗室中實現了。說到這裡，我還想到之前有聽眾留言說，太空電梯往上攀，會把天上的軌道艙給拽下來，因為有牛三定律。這個是誤解了牛三，他沒有弄清楚系統內力和外力之間的關係。其實，你可以想象一下你坐在一個熱氣球中，然後你順著繩子往上爬，這個熱氣球是否會被你越拽越低呢？不會的，因為這是系統內力，並不會對你和氣球構成的整體系統產生影響。這個道理與人不能拽著自己的頭髮把自己拽離地面的道理是一樣的。
所以，在我看來，太空電梯和核聚變火箭發動機的實現難度，就好像是在上個世紀初討論電子計算機和完美的保密通訊誰能先實現一樣，一個是理論、設計方案全都具備了，剩下的知識工程製造的難度。而完美的保密通訊只有等到量子力學發展起來以後，人類才知道理論上該怎麼去實現。所以，他們是認知等級上的差異，並不是工程技術難度上的差異。
如果未來核聚變發電廠成熟了，那麼會給世界帶來什麼變化呢？這個變化將是革命性的鉅變。為什麼這麼說，你仔細想一下，現在我們購買的幾乎所有商品和服務中，都有一塊比重不低的成本，就是能源成本。比如說，你買一包泡麵，其中有一塊不小的成本就是運輸成本，生產製造過程中也一樣需要能源，而超市的成本中有一塊是電費。
由於核聚變燃料幾乎是取之不竭的，所以，能源的成本不敢說可以忽略不計，但至少會產生一個數量級的下降，等到能源極大豐富的那一天，世界一定會變得更美好。而且，核聚變能源也被認為是最安全、清潔的能源，沒有汙染，也沒有堆芯熔融的風險。當然啦，任何技術都可能會有未被充分考慮到的嚴重後果，可至少現在來看，一座能運轉，而且在經濟上可行的核聚變反應堆對人類來說似乎只有好處沒有壞處。希望這句話不會出現在一本記載著人類傲慢自大的後啟示錄時代的歷史書裡。
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