6. 人类最理想的能源―――核聚变能
物理学的发展告诉人们， 核裂变并不是获得核能的唯一途径。自然界还存在着另一类核反应， 这就是某些较轻的原子核合成较重的原子核。这种核反应过程叫做核聚变。核聚变同核裂变一样， 都是原子核在反应过程中释放出巨大的能量。但是， 核聚变不仅比传统能源而且比核裂变所释放的能量大得多。下面是各种燃料单位重量放出的能量： 1 公斤煤( 燃烧) ： 3. 3 ×107 焦耳； 1 公斤汽油( 燃烧) ： 5. 3 ×107 焦耳； 1 公斤铀( 裂变) ： 8. 2 ×1013 焦耳； 1 公斤氘( 聚变) ： 3. 5 ×1014 焦耳。
除了释放能量巨大以外， 核聚变还有其他一些优点：( 1) 燃料十分丰富。核聚变用的材料是氢的同位素氘， 而氘在地球上大量的存在。1 公斤水中就有0. 03 克氘。地球上大约有1021 公斤的水， 于是就有10 17 公斤的氘。这么多的氘聚变放出的能量足够人类用几百亿年的。这不但大大超过了人类已经走过的历史， 而且超过了太阳和地球尚存的寿命(45 亿年) 。因此， 可以说核聚变能是一种取之不尽用之不竭的能源。( 2) 燃料的提取和保存容易。从水中提取氘的方法比提纯铀-235 要简单一些， 自然成本也低。氘与铀不同， 它没有放射性。因此氘的保存、运输、使用都比裂变材料更安全、方便。( 3) 运行安全污染较轻。核聚变反应堆所用的聚变燃料， 在数量上比核裂变反应堆所用的裂变燃料少得多。即使核聚变反应堆失控也不会造成严重事故。核聚变的产物与裂变产物不同， 它没有放射性。核聚变过程中放出的热核中子造成的污染也较裂变要轻。
从这些情况来看， 核聚变是人类最理想的能源。有意思的是， 早在人类发现核聚变能之前， 自然界就为自己选择了最理想的能源。很早以来， 人们就对太阳那巨大的能量来源十分感兴趣。太阳的年龄已有四五十亿年， 在这漫长的年代中， 它和其他恒星一样在时刻不停地发射着大量的光和热。地球上的所有生命， 包括今天已经成为能源的古代生命( 煤和石油) 都依赖于它的光和热。每年地球上接受到的太阳能就是目前人类每年耗能量的100 多倍。太阳和恒星的这巨大能量是从何而来的呢？ 1920 年， 英国天文学家爱丁顿猜测， 太阳的能源可能来自亚原子粒子的相互作用。随着物理学的进展， 这个猜测越来越显得言之有理。1929 年， 美国天文学家拉塞尔指出， 构成太阳的主要成份是氢。由此推论， 如果太阳的能量来自核反应， 那么最可能的就是核聚变。后来， 天体物理学家根据太阳的密度、温度， 所存在的原子核种类以及各自的数量， 来研究太阳上究竟发生着哪些过程。
1938 年， 美国物理学家贝特首先指出， 热核反应是长期维持太阳这类恒星能量消耗的最主要的能量来源。贝尔的这一重要研究成果解决了长期以来令人困惑不解的恒星能量来源问题。
贝特的研究表明， 在太阳内部最可能发生的核反应是质子-质子反应和碳、氮、氧循环。这两种反应的结果都是4 个质子合成一个氦原子核。太阳中心是一个温度高达数百万度， 物质密度是地球上固体的1000 倍的极端环境。在这样的条件下， 氢原子中的电子摆脱原子核的束缚而逃逸， 只剩下赤裸裸的氢原子核( 即质子) 。这些氢原子核在相互的撞击中， 克服了静电斥力， 经过一系列中间反应， 最后由4 个质子合成一个氦原子核。这个反应完成后， 产生的氦原子核的质量比原来的4 个氢原子核的质量减少了0. 7% 。据估计， 在太阳中每秒钟有6. 5 亿吨氢聚变成氦， 也就是说， 每秒钟在核反应中将出现455 万吨的质量亏损。由爱因斯坦揭示的质能关系式： Ε= MC2 ， 可计算出伴随着这些减少的质量所释放出的能量真是大得惊人。
大自然本身给人类树立了榜样。很自然， 人们就想到能不能让太阳上面所进行的核聚变反应在地球上进行呢。这样， 人类面临的能源问题将彻底解决。困难也是十分明显的， 在地球上难以获得太阳中心的条件， 所以， 物理学家就想找到这样一种核聚变， 它产生的能量与太阳上的核聚变反应差不多， 但又比较容易发生。
由氢想到了它的同位素。氢有3 种同位素， 即氢、氘、氚。氢的原子核只是一个单独的质子； 氘的原子核包括一个质子和一个中子氚的原子核则是由一个质子和2 个中子构成的。氘和氚都比氢容易聚合成氦， 但氚的数量相当少， 所以被寄希望的是氘。
现在， 物理学家已经研究清楚了， 要通过氘核聚变得到能量， 它的基本条件有2 个： 一是高温； 二是满足劳逊判据。
先说高温条件。要使氘核( 或者氘核与氚核) 聚合在一15起， 必须使两个原子核彼此靠近到10 -米， 这是核力作用范围。但是， 原子核都带正电荷， 在这样小的距离上， 库仑斥力变得非常之大。为了克服库仑斥力， 氘核应有足够大的初始动能， 这就相当于把它们加热到4 万度以上的高温状态。在这样高的温度下， 氘原子中的电子有了足够大的动能， 可以脱离原子核而自由运动。整个氘燃料就成为一团带正电荷的氘离子和带负电荷的电子的混合物。这就是物质的第四态―――等离子体， 它总体上呈电中性。当等离子体的离子和电子温度超过某个特定值时， 通过核聚变反应释放出来的能量将会超过等离子体由于辐射而消耗掉的能量。这时等离子体的温度才能维持下来， 核聚变反应才能持续不断地进行下去。
再说劳逊判据。所谓劳逊判据， 指的是这样一个关系式：nτ≥1014 cm -3 ・秒式中， 是等离子体单位体积的粒子数目；τ是等离子体在这个密度的约束时间。
这个关系式是相对于氘和氚反应而言的。意思是等离子体必须在足够高的密度下， 约束足够长的时间， 才能保证氘核和氚核相互作用而发生聚变反应。否则， 在极高温下等离子体中粒子高速运动， 如果不加约束， 会在一刹那间等离子体飞散和冷却。
这二个条件合称为核聚变的点火条件。为了获得足够的聚变能， 不仅要把等离子体加热到近亿度的高温， 而且还要把一定密度的等离子体约束足够长的时间。这显然和氢弹不同。制造核聚变反应堆， 需要一个比较和缓的引爆装置， 并且应使核聚变反应受到控制， 才不会引起爆炸。
目前， 物理学家正在沿着两条不同的思路， 进行受控核聚变反应的研究。
一条是磁约束聚变研究。要把发生聚变的等离子体约束在一起， 同时又要使温度不变， 这是一件很难的事。显然， 没有任何一种材料做成的容器经得住近亿度的高温。科学使人聪明， 聪明的科学家找到了一种烧不坏的容器， 就是磁场。既然等离子体是由离子和电子组成的， 用磁场可以限制这些带电粒子。根据这样一种思路， 已出现了一些磁约束装置， 例如环流器( 也称托卡马克， 俄文音译， 是带有真空室的环形磁场) 、磁镜、仿星器等。特别是环流器， 它已接近点火条件， 如果能进一步提高它的经济性能， 成功的希望是极大的。
另一条是惯性约束聚变研究。所谓惯性约束， 实际上是不约束， 而是设法提高等离子体的密度， 靠粒子的惯性， 在它们还来不及跑散就发生聚变反应， 取得足够能量。在这方面， 我国著名物理学家王淦昌， 在1964 年提出了用激光引发氘核放出中子的想法。这在当时是一个全新的思路， 现已成为惯性约束核聚变的一个重要研究题目―――激光惯性约束核聚变。
激光惯性约束就是利用高功率的激光均匀地照射氘―氚燃料靶， 由靶丸物质的熔化喷射而产生的反冲力使靶内物质受到压缩， 并迅速达到高密度和热核燃烧所需的高温， 从而发生热核燃烧( 即聚变)， 释放核聚变能。目前这一方面的研究也已接近点火条件。
王淦昌是研究核物理的专家， 但他能将激光和核物理结合起来， 产生出非常有价值的想法。科学研究常常是这样， 不同学科的交叉， 不同理论的结合， 甚至把不同现象联系起来， 都会产生新的东西。这也是一种创造， 但它需要有广博的知识和开阔的思路。
现在， 磁约束核聚变与惯性约束核聚变都已接近成功， 究竟哪种途径更快， 还很难说。不过， 我们相信人类一定会实现和平利用核聚变能这一远大目标。
除了释放能量巨大以外， 核聚变还有其他一些优点：( 1) 燃料十分丰富。核聚变用的材料是氢的同位素氘， 而氘在地球上大量的存在。1 公斤水中就有0. 03 克氘。地球上大约有1021 公斤的水， 于是就有10 17 公斤的氘。这么多的氘聚变放出的能量足够人类用几百亿年的。这不但大大超过了人类已经走过的历史， 而且超过了太阳和地球尚存的寿命(45 亿年) 。因此， 可以说核聚变能是一种取之不尽用之不竭的能源。( 2) 燃料的提取和保存容易。从水中提取氘的方法比提纯铀-235 要简单一些， 自然成本也低。氘与铀不同， 它没有放射性。因此氘的保存、运输、使用都比裂变材料更安全、方便。( 3) 运行安全污染较轻。核聚变反应堆所用的聚变燃料， 在数量上比核裂变反应堆所用的裂变燃料少得多。即使核聚变反应堆失控也不会造成严重事故。核聚变的产物与裂变产物不同， 它没有放射性。核聚变过程中放出的热核中子造成的污染也较裂变要轻。
从这些情况来看， 核聚变是人类最理想的能源。有意思的是， 早在人类发现核聚变能之前， 自然界就为自己选择了最理想的能源。很早以来， 人们就对太阳那巨大的能量来源十分感兴趣。太阳的年龄已有四五十亿年， 在这漫长的年代中， 它和其他恒星一样在时刻不停地发射着大量的光和热。地球上的所有生命， 包括今天已经成为能源的古代生命( 煤和石油) 都依赖于它的光和热。每年地球上接受到的太阳能就是目前人类每年耗能量的100 多倍。太阳和恒星的这巨大能量是从何而来的呢？ 1920 年， 英国天文学家爱丁顿猜测， 太阳的能源可能来自亚原子粒子的相互作用。随着物理学的进展， 这个猜测越来越显得言之有理。1929 年， 美国天文学家拉塞尔指出， 构成太阳的主要成份是氢。由此推论， 如果太阳的能量来自核反应， 那么最可能的就是核聚变。后来， 天体物理学家根据太阳的密度、温度， 所存在的原子核种类以及各自的数量， 来研究太阳上究竟发生着哪些过程。
1938 年， 美国物理学家贝特首先指出， 热核反应是长期维持太阳这类恒星能量消耗的最主要的能量来源。贝尔的这一重要研究成果解决了长期以来令人困惑不解的恒星能量来源问题。
贝特的研究表明， 在太阳内部最可能发生的核反应是质子-质子反应和碳、氮、氧循环。这两种反应的结果都是4 个质子合成一个氦原子核。太阳中心是一个温度高达数百万度， 物质密度是地球上固体的1000 倍的极端环境。在这样的条件下， 氢原子中的电子摆脱原子核的束缚而逃逸， 只剩下赤裸裸的氢原子核( 即质子) 。这些氢原子核在相互的撞击中， 克服了静电斥力， 经过一系列中间反应， 最后由4 个质子合成一个氦原子核。这个反应完成后， 产生的氦原子核的质量比原来的4 个氢原子核的质量减少了0. 7% 。据估计， 在太阳中每秒钟有6. 5 亿吨氢聚变成氦， 也就是说， 每秒钟在核反应中将出现455 万吨的质量亏损。由爱因斯坦揭示的质能关系式： Ε= MC2 ， 可计算出伴随着这些减少的质量所释放出的能量真是大得惊人。
大自然本身给人类树立了榜样。很自然， 人们就想到能不能让太阳上面所进行的核聚变反应在地球上进行呢。这样， 人类面临的能源问题将彻底解决。困难也是十分明显的， 在地球上难以获得太阳中心的条件， 所以， 物理学家就想找到这样一种核聚变， 它产生的能量与太阳上的核聚变反应差不多， 但又比较容易发生。
由氢想到了它的同位素。氢有3 种同位素， 即氢、氘、氚。氢的原子核只是一个单独的质子； 氘的原子核包括一个质子和一个中子氚的原子核则是由一个质子和2 个中子构成的。氘和氚都比氢容易聚合成氦， 但氚的数量相当少， 所以被寄希望的是氘。
现在， 物理学家已经研究清楚了， 要通过氘核聚变得到能量， 它的基本条件有2 个： 一是高温； 二是满足劳逊判据。
先说高温条件。要使氘核( 或者氘核与氚核) 聚合在一15起， 必须使两个原子核彼此靠近到10 -米， 这是核力作用范围。但是， 原子核都带正电荷， 在这样小的距离上， 库仑斥力变得非常之大。为了克服库仑斥力， 氘核应有足够大的初始动能， 这就相当于把它们加热到4 万度以上的高温状态。在这样高的温度下， 氘原子中的电子有了足够大的动能， 可以脱离原子核而自由运动。整个氘燃料就成为一团带正电荷的氘离子和带负电荷的电子的混合物。这就是物质的第四态―――等离子体， 它总体上呈电中性。当等离子体的离子和电子温度超过某个特定值时， 通过核聚变反应释放出来的能量将会超过等离子体由于辐射而消耗掉的能量。这时等离子体的温度才能维持下来， 核聚变反应才能持续不断地进行下去。
再说劳逊判据。所谓劳逊判据， 指的是这样一个关系式：nτ≥1014 cm -3 ・秒式中， 是等离子体单位体积的粒子数目；τ是等离子体在这个密度的约束时间。
这个关系式是相对于氘和氚反应而言的。意思是等离子体必须在足够高的密度下， 约束足够长的时间， 才能保证氘核和氚核相互作用而发生聚变反应。否则， 在极高温下等离子体中粒子高速运动， 如果不加约束， 会在一刹那间等离子体飞散和冷却。
这二个条件合称为核聚变的点火条件。为了获得足够的聚变能， 不仅要把等离子体加热到近亿度的高温， 而且还要把一定密度的等离子体约束足够长的时间。这显然和氢弹不同。制造核聚变反应堆， 需要一个比较和缓的引爆装置， 并且应使核聚变反应受到控制， 才不会引起爆炸。
目前， 物理学家正在沿着两条不同的思路， 进行受控核聚变反应的研究。
一条是磁约束聚变研究。要把发生聚变的等离子体约束在一起， 同时又要使温度不变， 这是一件很难的事。显然， 没有任何一种材料做成的容器经得住近亿度的高温。科学使人聪明， 聪明的科学家找到了一种烧不坏的容器， 就是磁场。既然等离子体是由离子和电子组成的， 用磁场可以限制这些带电粒子。根据这样一种思路， 已出现了一些磁约束装置， 例如环流器( 也称托卡马克， 俄文音译， 是带有真空室的环形磁场) 、磁镜、仿星器等。特别是环流器， 它已接近点火条件， 如果能进一步提高它的经济性能， 成功的希望是极大的。
另一条是惯性约束聚变研究。所谓惯性约束， 实际上是不约束， 而是设法提高等离子体的密度， 靠粒子的惯性， 在它们还来不及跑散就发生聚变反应， 取得足够能量。在这方面， 我国著名物理学家王淦昌， 在1964 年提出了用激光引发氘核放出中子的想法。这在当时是一个全新的思路， 现已成为惯性约束核聚变的一个重要研究题目―――激光惯性约束核聚变。
激光惯性约束就是利用高功率的激光均匀地照射氘―氚燃料靶， 由靶丸物质的熔化喷射而产生的反冲力使靶内物质受到压缩， 并迅速达到高密度和热核燃烧所需的高温， 从而发生热核燃烧( 即聚变)， 释放核聚变能。目前这一方面的研究也已接近点火条件。
王淦昌是研究核物理的专家， 但他能将激光和核物理结合起来， 产生出非常有价值的想法。科学研究常常是这样， 不同学科的交叉， 不同理论的结合， 甚至把不同现象联系起来， 都会产生新的东西。这也是一种创造， 但它需要有广博的知识和开阔的思路。
现在， 磁约束核聚变与惯性约束核聚变都已接近成功， 究竟哪种途径更快， 还很难说。不过， 我们相信人类一定会实现和平利用核聚变能这一远大目标。
