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袁嵐峰：在可控核聚變的道路上，中國走到了哪一步

點擊：  作者：袁嵐峰    來源：觀海聽濤SOPHIST新浪博客  發布時間:2016-12-13 12:09:18

 

       最近，中國在核聚變領域連續取得重大突破。2016年11月初，中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所的EAST（先進超導托卡馬克實驗裝置），成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。

 

 

10月24日，中國科研人員在升級全超導托卡馬克核聚變實驗裝置

 

12月10日，《新聞聯播》播發了我國研制的核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證的消息，這是我國對國際熱核聚變實驗堆項目的重大貢獻。

 

 

我國率先突破核聚變工程核心技術

 

如何理解這些突破？核聚變的原理是什么？意義何在？本文將解答這些問題。

 

愛因斯坦質能方程

 

核聚變最基本的原理是什么？或者說，如果我們發現了一個外星文明，想知道他們是否可能已經掌握了聚變技術，我們要關注的是什么？答案是愛因斯坦的質能方程E = mc2，E是能量，m是質量，c是光速（約為30萬公里每秒）。外星文明如果知道這個關系式，我們就要當心了，他們有可能已經會核聚變了，而且有大得多的可能會核裂變。他們說不定會跨越星海殺過來（《三體》愛好者請舉手），即使不能，至少可以拿原子彈抵御我們。如果他們不知道，那我們可以放寬心，他們的技術最多只是到導彈這個層次，沒有核武器，肯定不是我們的對手。

 

E =mc2很可能是歷史上最著名的科學公式，以至于霍金雖然聽說“每個公式都會使你的讀者減半”，還是在《時間簡史》中寫上了這個公式。可是盛名之下，大多數人對它的 意義，我相信，還是似懂非懂。（敲黑板）那么我們開始上課了！

 

這個方程的形式極其簡單，內涵卻極其深邃，在美學欣賞的意義上，妙到毫巔。

 

質能方程究竟說的是什么呢？它說的是，任何質量m必定對應mc2的能量，任何能量E也必定對應E/c2的質量。由于光速c是個常數，所以我們可以理解為：質量和能量是同一個東西的兩種表示方法，或者說壓根就是同一個東西。具體一點說，一個質量為m的物體，比如說一塊鐵，一個光子，或者一個人，無論它是靜止的還是在運動中，只要它有這個質量m，就有相應的能量mc2。反過來，一個能量為E的物體，比如說一塊鐵，一個光子，或者一個人，無論它是靜止的還是在運動中，只要它有這個能量E，就有相應的質量E/c2。當物體的能量發生變化時，質量必然相應變化。反之，當物體的質量發生變化時，能量也必然相應變化。

 

上面的話可能讓很多人迷糊了。我時常處于靜止中，咋沒覺得自己身上有這么大的能量呢？回答是：能量的絕對值是無法測量的，可測量的是相對值。你的質量乘以c2得到的能量，指的是把你轉換成無質量的虛空所放出的能量——沒錯，破碎虛空！現在還沒辦法把一個人變成虛空，所以這超級巨大的能量根本放不出來。你平時走路、跑步、刷微博所消耗的能量，確實會反映為你的質量的變化，但這點變化實在太小了，超出儀器的探測能力。

 

有人會問：光子的質量不是零嗎？這里的關鍵是要搞清，質量分為靜質量和動質量。靜質量是物體在靜止狀態下的質量，動質量是物體在運動狀態下的質量。靜止的物體運動起來，動能增加了，就會增加相應的質量，所以動質量總是大于靜質量。我們平常說光子的質量為零，指的是靜質量為零。但由于光子在以光速運動，具有能量，所以它的動質量并不為零。而像鐵塊或者人這樣的物質，在靜止狀態下質量就不為零，在運動狀態下質量也會變化。在日常生活中，鐵塊或人的這點質量變化小得無法觀測。但如果速度非常高，跟光速可以比較，那質量變化就會顯著了。

 

現在我們可以回答一個令許多人迷惑的問題：有能量守恒定律，也有質量守恒定律，那么這兩個定律究竟是什么關系？是等價的？還是一個是精確的，另一個是近似的？實際上，能量守恒定律是一個完全精確的定律，或者說物理學家愿意為了捍衛它戰斗到最后一滴血。每當發現能量似乎不守恒的實驗結果，物理學家的第一反應就是某些能量被遺漏了，然后拼命去找，絕不會不做抵抗就放棄能量守恒定律，而到目前為止他們每次也都能找到。質量守恒定律就有點微妙了。根據質能關系，質量跟能量只是差一個常數比例而已，那么能量守恒當然就等價于質量守恒。

 

在這個意義上，質量守恒定律也是一個完全精確的定律。但要注意，這里說的是動質量，靜質量可沒有理由守恒。然而我們平時說的質量守恒定律，指的卻是靜質量，例如說化學反應前后質量不變，證據就是拿天平稱一稱，反應物和生成物的質量確實相等。這就出問題了。實際應該是，反應物和生成物的靜質量不相等！雙方的靜質量差，就對應于反應中的能量變化，即化學能。如果反應放出能量，生成物的質量就小于反應物。如果反應吸收能量，生成物的質量就大于反應物。

 

那位說了，道爾頓和化學工程師用了這么多年的質量守恒定律，怎么沒出毛病？回答也很簡單，質量變化太小，測不出來。跟靜質量中蘊含的巨大能量相比，化學能實在是微不足道。所以日常用的（靜）質量守恒定律仍然是一個相當準確的定律，但要注意，它的準確程度就比能量守恒定律低一級了，因為它依賴于“能量變化遠小于靜質量對應的能量”這個條件，本質上是近似的。

 

明白了這些之后，就會發現質能關系還有一大妙處：只需要知道一個變化前后的靜質量差就能預測能量變化，而不需要知道變化的細節。這個特點讓核裂變與核聚變一下子就變成了可以利用的現象——在我們找到實現它們的辦法之前！

 

核反應

 

在我上高中的時候，就發現了化學課本上一件奇怪的事。課本說質子的質量是1.0073個原子質量單位（atomic mass unit，縮寫為amu，等于1.6605 × 10-27 kg），中子的質量是1.0087 amu。然而原子質量單位的定義是碳12原子質量的1/12，也就是說碳12原子的質量就是12 amu。那么問題來了，碳12原子中有6個質子、6個中子，它們的質量加起來就已經超過12 amu。這還沒算12個電子呢。質量怎么不守恒了？

 

現在我們明白，不守恒就對了。6個質子和6個中子放在一起質量減小，是因為它們（統稱核子）結合成原子核時放出了大量的能量。這個能量遠遠大于平時見到的化學能，所以質量的變化（往往稱為質量虧損）十分可觀。推而廣之，其它各種原子核的質量都不等于組成它的質子與中子的質量之和，質量虧損有的多有的少，取決于核子結合的強弱。

 

既然不同原子核中核子結合的強弱不同，那么就有可能讓結合弱的原子核中的核子重新整合成結合強的原子核，放出大量的能量。這就好比化學反應，分子中原子的結合有強有弱，讓結合弱的分子（如炸藥分子和氧氣分子）重組成為結合強的分子，就會放出化學能。原子核的重新組合，稱為核反應。核反應可以是大的原子核分裂成幾個小的原子核，稱為裂變，也可以是幾個小的原子核合并成大的原子核，稱為聚變。化學能跟核裂變、核聚變的能量都對應質量的變化，只是化學反應的質量變化遠遠小于核反應的質量變化，所以很少用質量變化來描述化學反應，而在描述核反應時質量變化就是最常用的說法。

 

1千克鈾238核裂變能產生的能量相當于2500噸煤。核聚變就更不得了，每一升水中約含有30毫克氘（氫的同位素，占氫的1/7000，也稱重氫，原子核包括一個質子和一個中子，而普通的氫原子核就是一個質子），通過聚變反應產生的能量相當于300升汽油的熱能。地球上僅海水中就含有45萬億噸氘，足夠人類使用上百億年。還有人提出到月球上去采集核燃料。

 

發現了如此強大的能源，人類從此過上了幸福的生活……啊不，質能方程給我們的只是一個潛在的可能性，真要實現核反應，需要的工作可就多了。無數的科學家和工程師從此過上了疲于奔命的生活。

 

恒星的孩子

 

古往今來，對太陽的崇拜遍及許多宗教和無數人，但誰也不知道太陽發光發熱的根源是什么。直到1938年，美國物理學家漢斯·貝特（Hans Albrecht Bethe，1967年諾貝爾物理學獎得主，1906 - 2005，享年99歲的超級硬朗老爺子）才發現太陽的能量來自于核聚變。《費曼物理學講義》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生說：“天上的星星好美呀！”貝特說：“是的，然而現在我是世上唯一知道它們為什么閃爍的人。”女生笑笑，沒說話。科學家的浪漫，真是令人憂傷的故事……

 

漢斯·貝特

 

在一般的條件下，核聚變是不會發生的。但在太陽中心，1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下，氫就可以聚變成氦了。這樣的反應已經進行了46億年，向外發出了巨大的能量。其中很微小的一部分落到地球上，就滋養了地球豐富的生態圈和整個人類。大自然的安排多么不可思議！

 

再過50億年，太陽將變成紅巨星，氦開始聚變生成碳。到那時，太陽的體積會劇增，把地球吞噬掉（是的，不從地球移民出去，人類的命運就是被太陽吞噬）。在后面的演化階段，碳還會聚變成更重的原子核。但是要注意，核子結合最緊密的原子核是鐵，也就是說，放出能量的核反應，到鐵這里就結束了，再聚合就只能吸收能量了。在恒星演化的最后階段，有可能吸收能量生成鐵之后的元素，這是宇宙中產生這些重元素的唯一途徑。也就是說，地球上的重元素必然是上一輪恒星演化的產物——我們都是恒星的孩子！

 

核聚變的途徑

 

在太陽中心，氫可以在1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下聚變成氦。而在地球上沒有那么高的壓強，要發生聚變，溫度就只好更高，達到上億度。有什么辦法能達到這么苛刻的條件呢？

 

核裂變笑了：不要以為有了核聚變我就沒用了，要達到核聚變的條件，還得看我！是的，原子彈是目前唯一可用的實現如此高溫的方法。所以氫彈都是用原子彈引爆的，先用裂變達到聚變條件，再通過聚變放出更大的能量。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級TNT當量，氫彈的威力則可大至幾千萬噸級TNT當量。

 

中國第一顆氫彈爆炸

 

人類用氫彈已經用得很溜了，《三體》里都能用它在水星上炸很多大坑，最后拯救人類。但是氫彈是不可控的聚變反應，你總不能用氫彈來發電吧？所以真正的挑戰是和平的、可控的利用核聚變，俗稱“人造太陽”。

 

可控核聚變的難點，在于兩個問題。一，如何將聚變材料加熱到這么高的溫度？二，用什么容器來裝溫度這么高的聚變材料？把核聚變反應堆看成一個火爐，第一個問題就相當于“怎么點火”，第二個問題相當于“怎么保證不把爐子燒穿”。

 

對第一個問題的回答，慣性約束激光點火是一條思路。把聚變燃料放在一個彈丸內部，用超強激光照射彈丸，瞬間達到高溫，彈丸外壁蒸發掉，并把核燃料向內擠壓。美國的“國家點火裝置”和中國的“神光三號”等實驗裝置，走的就是這條路。

 

對第二個問題的回答，磁約束是一條思路。把聚變燃料做成等離子體（原子核和電子分離，都可以自由流動），用超強磁場約束等離子體，讓它們懸空高速旋轉，不跟容器直接接觸。EAST等托卡馬克裝置，走的就是這條路。

 

一大麻煩在于，這兩條路是互相矛盾的。聚變燃料如果處于靜止，就很難不把容器燒穿；而如果處于運動中，聚焦點火又變得困難。這就是可控核聚變難度如此之大的原因。

 

順便說一句，有一個提法叫做“冷聚變”，號稱在某種實驗條件下，常溫常壓就能實現核聚變。冷聚變不時地吸引一群人過去研究一通，但從來沒有得到過確定的結果。我對它的看法跟大多數人一樣：大半是忽悠。不過還是持開放的態度吧。

 

2015年4月，中國科學技術大學建成國際最先進的反場箍縮磁約束聚變實驗裝置“科大一環”（KTX）。中、美、俄目前各有16、28、5個核聚變裝置，這玩意燒的就是錢，靠的就是大國雄心。

 

可控核聚變什么時候能實現？有個笑話是“永遠還需25年”。有人估計是2050年。不過這些全都是猜測，由于難度太大，無論任何時候能搞出來都是好的。我們在目前能做的，就是多試驗，多投入。在條件允許的范圍內，只問耕耘，不問收獲。即使是失敗的探索，也會獲得經驗教訓，對將來是有益的。

 

中國最近的突破

 

了解了以上基礎知識，我們就能理解中國最近的突破有什么意義。

 

第一個，EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST大科學工程管理委員會副主任羅廣南教授說，先前的一些聚變實驗持續了100多秒，但它們就像“騎一匹烈馬”，難以控制不穩定的等離子體。8月在EAST上進行的實驗更像是一次盛裝舞步表演，處在被極強電磁場屏蔽的一個環形室中的等離子體被控制在一種高效穩定態H-mode（高約束模式）。物理學家認為高約束模式是未來核聚變電站的最佳工作狀態。總而言之，更加“可控”了。

 

第二個，由我國研制的熱核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證。這種核心部件是盛放超過1億度的聚變燃料的容器。按照ITER的設計方案要求，這種材料需要承受每平米4.7兆瓦的熱量，這足以在瞬間熔化一公斤的鋼鐵。中國的科研人員用三種材料組成的三明治結構，并在和多個國家的競爭中率先摸索出讓三種材料緊密結合的創新工藝。在權威機構進行的試驗中，該材料經受住了比設計標準還高20%的極端高溫環境考驗。總而言之，更加“耐熱”了。這就有可能克服慣性約束與磁約束之間的矛盾，在不燒穿爐子的情況下實現點火。

 

對EAST的高約束模式運行，科學家說，這項突破顯示中國聚變研究的發展速度把其他國家遠遠甩在后面。這話同樣適用于第二項突破。引領人類的聚變歷程，中國義不容辭！

 

核聚變答客問

 

下面以問答的形式，解釋一些常見的問題。

 

問：核聚變為什么很難發生？

 

答：質能關系只能告訴你核反應發生前后的能量變化，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原子尺度的10萬分之一才能聚變！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于距離的平方。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）開始達到這么近，因為在這種距離下核力小于靜電力，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，那么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，那么它們會一邊靠近一邊減速，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：為什么核聚變需要高溫高壓？

 

答：溫度正比于原子核的動能，相當于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，相當于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，宅在家里是沒有前途的，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，由于壓強高達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，由于壓強達不到那么高，所以得把溫度提高到上億度才行。

 

太陽

 

問：核裂變為什么不需要高溫高壓？

 

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，那么它就不會裂變。如果一個原子核不穩定，核力很弱，那么它很容易就會裂變。這里的關鍵是，外界的溫度、壓強只影響原子核之間的運動狀態，而對于原子核內部完全沒有影響。

 

同理，化學組成只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，那么常溫常壓下它就會發生，而如果裂變不能發生，那么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，常溫常壓下就能運行，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，那些核聚變裝置是干什么的？如果能，為什么還不能實用？

 

答：這其實是一個語言問題，即什么叫做“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開始大于0了，但還小于1，這時你可以說已經實現了可控核聚變。但是能量輸出小于能量輸入，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。口頭語言怎么說都行，科學家并不在意，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，能量輸出大于輸入，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，然后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。

 

那么人類的這么多核聚變裝置，達到了什么水平呢？大部分還在Q = 0的區域里撲騰，只是擺個姿勢，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”，即輸出的能量大于燃料吸收的能量。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。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。真正重要的目標是實現“總增益”，即能量輸出大于總的能量輸入，Q > 1，這就不知道什么時候能實現了。

 

問：可控核聚變什么時候能實用化？

 

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，這些都屬于自由猜想，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，空氣中的中子就足以引發鏈式反應，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于濃縮技術，如離心機，因此很容易預測一個國家什么時候能核爆。可控核聚變卻迄今連技術路線都沒確定，怎么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——早干什么去了，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，人類怎么辦？

 

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。按照某些計算，把塔克拉瑪干沙漠（33萬平方公里）的面積拿出一半來建設太陽能光熱電站，就足以滿足全中國的電力需求。此外，著名納米材料學家楊培東教授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。大力發展太陽能可以保證我們在化石能源耗盡后的生存，這是大戰略。

 

但單憑太陽能是不足以飛出地球、移民宇宙的，困在地球上，長遠還是死路一條。可控核聚變是星際航行唯一可靠的能源。關于這一點，“資水東流”的《技術大停滯》解釋得非常透徹，向大家強烈推薦這篇杰作。下面是其中的關鍵段落：

 

按照人類目前的技術水平，新能源還遠不足以替代化石能源，更不要說比傳統化石能源高一個層次。或許人類永遠沒有機會談論“別人”。因為人類極有可能來不及點燃聚變堆。

 

人類已經在可控核聚變上花費了將近60年的時間，實質性進展基本為0，全世界聯合起來，ITER的工程進度還一拖再拖。人類科學史上，還沒有一項技術耗費了如此長的時間，看似觸手可及，但就是找不到突破途徑。

 

地球文明已經進入一個關鍵點。有網友稱為文明的臨界點！

 

在黑暗的宇宙森林中，行星上的化石能源是一根小火柴，如果能夠點燃宇宙提供的木頭，那么將會獲得整個森林，或者說，沖破地球蛋，孵化成功，獲得宇宙廣闊新空間；如果不能，那就會困死在地球上，和那些寂靜的星球一樣，依靠太陽能和地熱維持一個低層次的文明。

 

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。

 

“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。”

 

我們在這里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象空間。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，所有恒星的能量都來自核聚變。《正氣歌》說：“天地有正氣，雜然賦流形。下則為河岳，上則為日星。”是的，我們將用日星的能量上升到神的高度。