可控核聚變的誘惑

文/喬輝

《流浪地球》中有一個(gè)非常大膽的設(shè)定，那就是首先用核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)對地球自轉(zhuǎn)進(jìn)行剎車，然后對地球進(jìn)行加速，擺脫太陽的引力，直至加速到光速的千分之五，飛往離太陽最近的恒星——比鄰星。

劉慈欣的科幻小說經(jīng)常涉及核聚變堆的概念，核聚變確實(shí)是一勞永逸地解決人類能源問題的終極手段。人類目前核聚變已經(jīng)進(jìn)展到什么程度了？像影片中那種燃燒石頭的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)真的能實(shí)現(xiàn)嗎？

燃燒石頭的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)

我們知道，氫彈是一種劇烈的核聚變爆炸現(xiàn)象，人類無法直接利用這種能量。人類需要的是可控核聚變，也就是說能夠平穩(wěn)輸出能量的核聚變裝置，但到目前為止尚處于實(shí)驗(yàn)階段。

如果有人問你，我們什么時(shí)候能利用上核聚變的能量，你可以說50年后；再過10年又有人問你同樣的問題，你還可以說50年后。這就是核聚變領(lǐng)域最著名的“永遠(yuǎn)50年”的段子。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，至少“80后”應(yīng)該能看到核聚變發(fā)電的那一天。

目前，中國的全超導(dǎo)核聚變托克馬克裝置（EAST）以及國際聯(lián)合正在建設(shè)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）都讓我們看到了希望的曙光。目前人類首先要馴服的是氘氚的核聚變，也是相對最容易的一種核聚變方式。

▲ 《流浪地球》中的巨大核聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)，高11公里，比珠穆朗瑪峰還高（劇照）

▲ 《流浪地球》中給核聚變行星發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料的巨大礦山車輛（劇照）

在影片中，為了推動(dòng)地球離開太陽系，人類在地球上建造了上萬座高聳入云的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒的不是氫，也不是氦，而是石頭。真佩服劉慈欣的想象力。這里的燒石頭不是把石頭燒成石灰石的化學(xué)反應(yīng)，而是組成石頭的元素的原子核發(fā)生聚變的燃燒。

但石頭的組成元素非常復(fù)雜，主要是氧、硅、鋁和鈣等等這些原子序數(shù)較大的元素。這些元素能聚變嗎？能！但實(shí)際上，難度恐怕高級外星人也做不到吧。

宇宙當(dāng)中，這些元素的核聚變發(fā)生在大質(zhì)量恒星演化末期的核心處，這里的大質(zhì)量最少也要8顆太陽質(zhì)量以上了。實(shí)際上，我們身邊的元素，除了氫和氦，基本都是在恒星核聚變?nèi)紵?、超新星爆炸以及中子星合并過程中形成的。有句話說得很好——“我們其實(shí)都是核廢料組成的”。

理論上，排在鐵元素之前的元素都能夠發(fā)生進(jìn)一步的核聚變反應(yīng)釋放能量，但總體的趨勢是隨著元素質(zhì)量數(shù)的增高，原子核越來越難發(fā)生聚變，并且能量密度越來越低，能夠榨取的能量越來越少，這點(diǎn)反映在原子核的比結(jié)合能曲線上。你可以把這個(gè)曲線看做是從高原一路奔流而下的河流，河流的落差越大釋放的能量越多。反映在結(jié)合能曲線上，越輕的元素對應(yīng)的落差越大，釋放的能量也就越多。也就是說，小說中設(shè)定的氧、硅、鋁和鈣等元素的核聚變其實(shí)都不如氫聚變高效。

從曲線上我們還可以看出，鐵元素的原子核最穩(wěn)定，已經(jīng)無法繼續(xù)榨取核能了，如果想讓鐵元素繼續(xù)聚變，反而是吸收能量。比鐵更重的元素是在超新星爆發(fā)以及中子星碰撞等極端高能事件中合成的。

說到這里，不得不提一個(gè)有趣的事實(shí)：2017年，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）宣布探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波以及光學(xué)信號(hào)。在接下來的分析中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，此次碰撞產(chǎn)生了相當(dāng)于10倍地球質(zhì)量的黃金和鉑金，以及16000倍地球質(zhì)量的其他重元素。根據(jù)目前掌握的證據(jù)，地球上的黃金基本都是這種方式產(chǎn)生的。當(dāng)你下次給心愛的人戴上黃金戒指或項(xiàng)鏈時(shí)，別忘心里默默感謝一下中子星哦。

▲ 位于安徽合肥的中國全超導(dǎo)托克馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）

▲ 激光慣性核聚變使用的核燃靶丸，里面可盛放氘氚氣體（左）；激光轟擊靶丸產(chǎn)生高溫高壓條件可與太陽內(nèi)部相當(dāng)（右）

可控核聚變是人類永遠(yuǎn)追求的夢想

可控核聚變一直對人類充滿著誘惑，因?yàn)檫@是一種“一勞永逸”地解決能源問題的終極手段。其實(shí)，太陽就是一種引力約束的可控核聚變裝置，但在地球上人類無法照搬這種天然的手段。

目前，可控核聚變有兩個(gè)大的方向：一種是利用磁場約束等離子的方向；一種是利用強(qiáng)激光對核聚變材料進(jìn)行打靶的慣性約束核聚變的方向。

▲ 仿星器的扭曲線圈和等離子體示意圖

利用磁場約束的核聚變方法，最出名的構(gòu)型叫“托克馬克裝置（Tokamak）”，這是由蘇聯(lián)物理學(xué)家首先提出并建造的，是目前主流的核聚變裝置類型，包括位于安徽合肥的——全超導(dǎo)托克馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置以及正在法國建設(shè)中的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等等。

此外，還有一種叫“仿星器（stellarator）”的磁約束核聚變構(gòu)型。德國馬普等離子體物理研究所擁有世界上最大的仿星器研究裝置，名字叫“Wendelstein 7-X”，Wendelstein是德國巴伐利亞州一座山的名字。該裝置在2018年實(shí)現(xiàn)了更高的溫度、更高的等離子體密度和更長的脈沖時(shí)間，突破了仿星器的世界紀(jì)錄。

利用強(qiáng)激光打靶的慣性約束核聚變方法，最具代表性的是美國國家點(diǎn)火裝置（NIF），前幾年有報(bào)道說已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了能量輸出大于輸入的情況。這種方式猶如用激光引爆一顆顆的小型氫彈。

我國著名物理學(xué)家王淦昌先生生前就致力于慣性約束核聚變的研究。中國運(yùn)行的最強(qiáng)系列激光裝置神光-I、神光-II和神光-III主要就是為這項(xiàng)研究做服務(wù)的。

人類文明升級需要核聚變

俄羅斯天體物理學(xué)家卡爾達(dá)舍夫（Nikolai Kardashev）曾經(jīng)給宇宙文明設(shè)定了三個(gè)等級：I型文明能夠充分利用其所在行星上的能量；II型文明能夠充分利用其中央恒星的能量（對于我們?nèi)祟悂碇v，就是要能夠利用整個(gè)太陽的能量）；III型文明能夠充分利用其所在星系的能量。

按照這個(gè)界定，目前人類還達(dá)不到I型文明，文明指數(shù)大約在0.7左右。只有到了充分利用可控核聚變的時(shí)候，人類才能達(dá)到I型文明。

▲ “嫦娥五號(hào)”采樣返回示意圖

月球上的氦3資源

進(jìn)入21世紀(jì)后，月球探測進(jìn)入了一個(gè)新高潮。美國、歐洲、中國、日本、印度甚至以色列紛紛往月球發(fā)射了探測器。探月的科學(xué)目標(biāo)非常多，例如探索月球的構(gòu)造、演化和地質(zhì)情況等等，其中還有一個(gè)功利性的長遠(yuǎn)目標(biāo)是勘測月球土壤中的氦3資源。

早在1986年就有人提出開發(fā)月球上的氦3用來進(jìn)行聚變。實(shí)際上，由于月壤風(fēng)化層中氦3的含量并不太高，獲得1克氦3需要處理150噸月壤。

2008年，印度空間研究組織也成功實(shí)施了一次探月任務(wù)，航天器的名字叫“月船一號(hào)”。據(jù)說一個(gè)非常重要的任務(wù)就是調(diào)查月球表面的氦3資源，雖然這點(diǎn)在其科學(xué)任務(wù)里并沒有明確提及。

中國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)院士曾經(jīng)在很多場合表示，勘測月球上的氦3資源是嫦娥工程的重要目標(biāo)之一。因此，在經(jīng)過嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)以及嫦娥四號(hào)成功實(shí)施探月后，相信在月球氦3資源方面應(yīng)該有了較全面的了解。按計(jì)劃，2019年還將進(jìn)行“嫦娥五號(hào)”的發(fā)射，還會(huì)從月球表面采樣返回地球，屆時(shí)就可以在實(shí)驗(yàn)室對月球樣本進(jìn)行直接研究。

氦3是核聚變的良好燃料，反應(yīng)后生成氦4和2個(gè)質(zhì)子，由于質(zhì)子帶電荷，非常容易利用磁場約束和利用。因此，氦3的核聚變非常干凈，不會(huì)像氘氚核聚變那樣產(chǎn)生貫穿力非常強(qiáng)的中子。月球上的氦3是長期遭受太陽風(fēng)吹拂的結(jié)果，由于沒有大氣和磁場（也可以說非常微弱）的阻擋和偏轉(zhuǎn)，月壤中能夠積累氦3。相反，地球就無法積累氦3資源了。但氦3聚變比氘氚聚變的難度要大得多，這是由于氦3原子核帶2個(gè)單位的電荷，比起帶1個(gè)單位電荷的氘氚而言，靜電排斥力要大得多，相對需要更高點(diǎn)火溫度。

實(shí)際上，太陽釋放的半數(shù)能量就源于氦3之間的核聚變。簡單來講是這樣的，首先，質(zhì)子和質(zhì)子發(fā)生聚變生成氘，然后氘與質(zhì)子聚變生成氦3，最后兩個(gè)氦3聚變生成一個(gè)氦4和2個(gè)質(zhì)子?？傮w來講，就是4個(gè)質(zhì)子聚變成一個(gè)氦4原子核。

私企核聚變裝置

▲ 通用聚變公司的小型核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

▲ 國際熱核聚變反應(yīng)裝置建設(shè)工地

▲ 國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

▲ 聯(lián)合歐洲環(huán)（JET）目前世界上正在運(yùn)行的最大的托克馬克裝置

在過去，像可控核聚變這種偏基礎(chǔ)性的研究往往都是國家承擔(dān)，甚至國際聯(lián)合來做，因?yàn)檫@種研究難度非常大，往往短期內(nèi)也看不到贏利的可能性。但近年來出現(xiàn)了公司化運(yùn)營可控核聚變研究的公司，例如加拿大的通用聚變公司（General fusion）、三阿爾法能源公司（Tri Alpha Energy），美國的洛·馬公司也在搞聚變反應(yīng)堆。

這些公司采用的技術(shù)路線與主流的托克馬克和慣性約束不同，基本都采用了更加緊致的磁約束裝置。雖然這種裝置成熟度沒有常規(guī)托克馬克高，但成本卻相對較低，能夠在私企公司承受的范圍內(nèi)。例如，通用聚變公司采用了一種叫球形托克馬克（spherical tokamak）的磁約束裝置。如果說常規(guī)托克馬克裝置像一個(gè)大號(hào)甜甜圈，那么球形托克馬克則更像一個(gè)蘋果。

科幻電影《鋼鐵俠》中的主角“鋼鐵俠”之所以能量無窮，就是因?yàn)樗麚碛幸粋€(gè)小型核聚變反應(yīng)堆提供能量。說不定隨著人類技術(shù)的發(fā)展，未來某一天真的能夠制造出隨身攜帶的小型核聚變反應(yīng)堆呢。

核火箭

到目前為止，人類所有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都采用化學(xué)能驅(qū)動(dòng)。化學(xué)能的能量密度與核能的能量密度相差好幾個(gè)數(shù)量級，如果能利用核能，尤其是聚變能驅(qū)動(dòng)火箭，那么人類能夠進(jìn)行深空探測的距離將大大延長。

▲ 科幻人物鋼鐵俠胸口上的小型核聚變反應(yīng)堆

我們通常把化學(xué)能叫常規(guī)能源，把核能叫非常規(guī)能源。其實(shí)，在宇宙中化學(xué)能反而應(yīng)該是非常規(guī)能源，核能才是常規(guī)能源，因?yàn)橛钪嬷兴械暮阈嵌际强亢司圩凃?qū)動(dòng)，核能是最普遍的能量形式。核火箭才是人類進(jìn)行星際航行的標(biāo)配。

其實(shí)早在上世紀(jì)六七十年代，蘇聯(lián)和美國就開始進(jìn)行核火箭的研發(fā)工作，但由于存在放射性污染以及比較笨重的問題，一直沒進(jìn)入實(shí)用狀態(tài)。由于人類還沒有能完全掌握可控核聚變，此前的研究都是利用核裂變釋放能量的火箭。

這種核火箭的基本原理是利用裂變放出的熱能對工質(zhì)進(jìn)行加熱，加熱的工質(zhì)從尾噴管噴出產(chǎn)生推力，例如采用液氫作為加熱工質(zhì)。實(shí)際上，核火箭的工作原理與化學(xué)火箭基本相同，區(qū)別在于加熱工質(zhì)用的是核能，而非化學(xué)能。這種火箭又稱為“核熱火箭”，注意是核熱火箭，而非熱核火箭，熱核火箭應(yīng)該指核聚變火箭了。核火箭的比沖較大，能夠利用較少的工質(zhì)產(chǎn)生較大的推力，成熟的核火箭應(yīng)該比化學(xué)火箭更輕。

▲ 核熱火箭的工作原理

▲ 獵戶座工程設(shè)計(jì)的利用核彈爆炸驅(qū)動(dòng)的飛船

除了這種常規(guī)的推進(jìn)方式，美國在上世紀(jì)50年代還發(fā)起過利用核爆炸驅(qū)動(dòng)飛船的“獵戶座工程（Project Orion）”！這種想法太瘋狂了，但理論表明卻是可行的。

最初提出這種設(shè)想的是美國數(shù)學(xué)家、核物理學(xué)家烏拉姆，他就是當(dāng)年和特勒一起提出氫彈的“特勒-烏拉姆構(gòu)型”的烏拉姆。值得一提的是，據(jù)說中國核物理學(xué)家于敏也獨(dú)立提出了類似的氫彈構(gòu)型，被稱為“于敏構(gòu)型”。特勒后來被尊稱為氫彈之父。再扯得遠(yuǎn)一點(diǎn)兒，特勒就是楊振寧的博士生導(dǎo)師。該工程的實(shí)際發(fā)起者是美國理論物理學(xué)家戴森，他也是提出“戴森球”把太陽包裹起來利用其能量的人?？磥碜吭降奈锢韺W(xué)家腦洞通常也是非常大的。

那么我們再簡單說說這種推進(jìn)方式的原理：在飛船的身后引爆核彈，利用核彈的沖擊不斷推動(dòng)飛船前進(jìn)！讀過《三體》小說的朋友應(yīng)該記得其中有一個(gè)相同的情節(jié)：利用放置在太空中的核彈不斷驅(qū)動(dòng)飛船前進(jìn)。其實(shí)，應(yīng)該是劉慈欣借用了這里的創(chuàng)意。