6. 人類最理想的能源―――核聚變能
物理學的發展告訴人們， 核裂變並不是獲得核能的唯一途徑。自然界還存在著另一類核反應， 這就是某些較輕的原子核合成較重的原子核。這種核反應過程叫做核聚變。核聚變同核裂變一樣， 都是原子核在反應過程中釋放出巨大的能量。但是， 核聚變不僅比傳統能源而且比核裂變所釋放的能量大得多。下麵是各種燃料單位重量放出的能量： 1 公斤煤( 燃燒) ： 3. 3 ×107 焦耳； 1 公斤汽油( 燃燒) ： 5. 3 ×107 焦耳； 1 公斤鈾( 裂變) ： 8. 2 ×1013 焦耳； 1 公斤氘( 聚變) ： 3. 5 ×1014 焦耳。
除了釋放能量巨大以外， 核聚變還有其他一些優點：( 1) 燃料十分豐富。核聚變用的材料是氫的同位素氘， 而氘在地球上大量的存在。1 公斤水中就有0. 03 克氘。地球上大約有1021 公斤的水， 於是就有10 17 公斤的氘。這麽多的氘聚變放出的能量足夠人類用幾百億年的。這不但大大超過了人類已經走過的曆史， 而且超過了太陽和地球尚存的壽命(45 億年) 。因此， 可以說核聚變能是一種取之不盡用之不竭的能源。( 2) 燃料的提取和保存容易。從水中提取氘的方法比提純鈾-235 要簡單一些， 自然成本也低。氘與鈾不同， 它沒有放射性。因此氘的保存、運輸、使用都比裂變材料更安全、方便。( 3) 運行安全汙染較輕。核聚變反應堆所用的聚變燃料， 在數量上比核裂變反應堆所用的裂變燃料少得多。即使核聚變反應堆失控也不會造成嚴重事故。核聚變的產物與裂變產物不同， 它沒有放射性。核聚變過程中放出的熱核中子造成的汙染也較裂變要輕。
從這些情況來看， 核聚變是人類最理想的能源。有意思的是， 早在人類發現核聚變能之前， 自然界就為自己選擇了最理想的能源。很早以來， 人們就對太陽那巨大的能量來源十分感興趣。太陽的年齡已有四五十億年， 在這漫長的年代中， 它和其他恒星一樣在時刻不停地發射著大量的光和熱。地球上的所有生命， 包括今天已經成為能源的古代生命( 煤和石油) 都依賴於它的光和熱。每年地球上接受到的太陽能就是目前人類每年耗能量的100 多倍。太陽和恒星的這巨大能量是從何而來的呢？ 1920 年， 英國天文學家愛丁頓猜測， 太陽的能源可能來自亞原子粒子的相互作用。隨著物理學的進展， 這個猜測越來越顯得言之有理。1929 年， 美國天文學家拉塞爾指出， 構成太陽的主要成份是氫。由此推論， 如果太陽的能量來自核反應， 那麽最可能的就是核聚變。後來， 天體物理學家根據太陽的密度、溫度， 所存在的原子核種類以及各自的數量， 來研究太陽上究竟發生著哪些過程。
1938 年， 美國物理學家貝特首先指出， 熱核反應是長期維持太陽這類恒星能量消耗的最主要的能量來源。貝爾的這一重要研究成果解決了長期以來令人困惑不解的恒星能量來源問題。
貝特的研究表明， 在太陽內部最可能發生的核反應是質子-質子反應和碳、氮、氧循環。這兩種反應的結果都是4 個質子合成一個氦原子核。太陽中心是一個溫度高達數百萬度， 物質密度是地球上固體的1000 倍的極端環境。在這樣的條件下， 氫原子中的電子擺脫原子核的束縛而逃逸， 隻剩下赤裸裸的氫原子核( 即質子) 。這些氫原子核在相互的撞擊中， 克服了靜電斥力， 經過一係列中間反應， 最後由4 個質子合成一個氦原子核。這個反應完成後， 產生的氦原子核的質量比原來的4 個氫原子核的質量減少了0. 7% 。據估計， 在太陽中每秒鍾有6. 5 億噸氫聚變成氦， 也就是說， 每秒鍾在核反應中將出現455 萬噸的質量虧損。由愛因斯坦揭示的質能關係式： Ε= MC2 ， 可計算出伴隨著這些減少的質量所釋放出的能量真是大得驚人。
大自然本身給人類樹立了榜樣。很自然， 人們就想到能不能讓太陽上麵所進行的核聚變反應在地球上進行呢。這樣， 人類麵臨的能源問題將徹底解決。困難也是十分明顯的， 在地球上難以獲得太陽中心的條件， 所以， 物理學家就想找到這樣一種核聚變， 它產生的能量與太陽上的核聚變反應差不多， 但又比較容易發生。
由氫想到了它的同位素。氫有3 種同位素， 即氫、氘、氚。氫的原子核隻是一個單獨的質子； 氘的原子核包括一個質子和一個中子氚的原子核則是由一個質子和2 個中子構成的。氘和氚都比氫容易聚合成氦， 但氚的數量相當少， 所以被寄希望的是氘。
現在， 物理學家已經研究清楚了， 要通過氘核聚變得到能量， 它的基本條件有2 個： 一是高溫； 二是滿足勞遜判據。
先說高溫條件。要使氘核( 或者氘核與氚核) 聚合在一15起， 必須使兩個原子核彼此靠近到10 -米， 這是核力作用範圍。但是， 原子核都帶正電荷， 在這樣小的距離上， 庫侖斥力變得非常之大。為了克服庫侖斥力， 氘核應有足夠大的初始動能， 這就相當於把它們加熱到4 萬度以上的高溫狀態。在這樣高的溫度下， 氘原子中的電子有了足夠大的動能， 可以脫離原子核而自由運動。整個氘燃料就成為一團帶正電荷的氘離子和帶負電荷的電子的混合物。這就是物質的第四態―――等離子體， 它總體上呈電中性。當等離子體的離子和電子溫度超過某個特定值時， 通過核聚變反應釋放出來的能量將會超過等離子體由於輻射而消耗掉的能量。這時等離子體的溫度才能維持下來， 核聚變反應才能持續不斷地進行下去。
再說勞遜判據。所謂勞遜判據， 指的是這樣一個關係式：nτ≥1014 cm -3 ・秒式中， 是等離子體單位體積的粒子數目；τ是等離子體在這個密度的約束時間。
這個關係式是相對於氘和氚反應而言的。意思是等離子體必須在足夠高的密度下， 約束足夠長的時間， 才能保證氘核和氚核相互作用而發生聚變反應。否則， 在極高溫下等離子體中粒子高速運動， 如果不加約束， 會在一刹那間等離子體飛散和冷卻。
這二個條件合稱為核聚變的點火條件。為了獲得足夠的聚變能， 不僅要把等離子體加熱到近億度的高溫， 而且還要把一定密度的等離子體約束足夠長的時間。這顯然和氫彈不同。製造核聚變反應堆， 需要一個比較和緩的引爆裝置， 並且應使核聚變反應受到控製， 才不會引起爆炸。
目前， 物理學家正在沿著兩條不同的思路， 進行受控核聚變反應的研究。
一條是磁約束聚變研究。要把發生聚變的等離子體約束在一起， 同時又要使溫度不變， 這是一件很難的事。顯然， 沒有任何一種材料做成的容器經得住近億度的高溫。科學使人聰明， 聰明的科學家找到了一種燒不壞的容器， 就是磁場。既然等離子體是由離子和電子組成的， 用磁場可以限製這些帶電粒子。根據這樣一種思路， 已出現了一些磁約束裝置， 例如環流器( 也稱托卡馬克， 俄文音譯， 是帶有真空室的環形磁場) 、磁鏡、仿星器等。特別是環流器， 它已接近點火條件， 如果能進一步提高它的經濟性能， 成功的希望是極大的。
另一條是慣性約束聚變研究。所謂慣性約束， 實際上是不約束， 而是設法提高等離子體的密度， 靠粒子的慣性， 在它們還來不及跑散就發生聚變反應， 取得足夠能量。在這方麵， 我國著名物理學家王淦昌， 在1964 年提出了用激光引發氘核放出中子的想法。這在當時是一個全新的思路， 現已成為慣性約束核聚變的一個重要研究題目―――激光慣性約束核聚變。
激光慣性約束就是利用高功率的激光均勻地照射氘―氚燃料靶， 由靶丸物質的熔化噴射而產生的反衝力使靶內物質受到壓縮， 並迅速達到高密度和熱核燃燒所需的高溫， 從而發生熱核燃燒( 即聚變)， 釋放核聚變能。目前這一方麵的研究也已接近點火條件。
王淦昌是研究核物理的專家， 但他能將激光和核物理結合起來， 產生出非常有價值的想法。科學研究常常是這樣， 不同學科的交叉， 不同理論的結合， 甚至把不同現象聯係起來， 都會產生新的東西。這也是一種創造， 但它需要有廣博的知識和開闊的思路。
現在， 磁約束核聚變與慣性約束核聚變都已接近成功， 究竟哪種途徑更快， 還很難說。不過， 我們相信人類一定會實現和平利用核聚變能這一遠大目標。
除了釋放能量巨大以外， 核聚變還有其他一些優點：( 1) 燃料十分豐富。核聚變用的材料是氫的同位素氘， 而氘在地球上大量的存在。1 公斤水中就有0. 03 克氘。地球上大約有1021 公斤的水， 於是就有10 17 公斤的氘。這麽多的氘聚變放出的能量足夠人類用幾百億年的。這不但大大超過了人類已經走過的曆史， 而且超過了太陽和地球尚存的壽命(45 億年) 。因此， 可以說核聚變能是一種取之不盡用之不竭的能源。( 2) 燃料的提取和保存容易。從水中提取氘的方法比提純鈾-235 要簡單一些， 自然成本也低。氘與鈾不同， 它沒有放射性。因此氘的保存、運輸、使用都比裂變材料更安全、方便。( 3) 運行安全汙染較輕。核聚變反應堆所用的聚變燃料， 在數量上比核裂變反應堆所用的裂變燃料少得多。即使核聚變反應堆失控也不會造成嚴重事故。核聚變的產物與裂變產物不同， 它沒有放射性。核聚變過程中放出的熱核中子造成的汙染也較裂變要輕。
從這些情況來看， 核聚變是人類最理想的能源。有意思的是， 早在人類發現核聚變能之前， 自然界就為自己選擇了最理想的能源。很早以來， 人們就對太陽那巨大的能量來源十分感興趣。太陽的年齡已有四五十億年， 在這漫長的年代中， 它和其他恒星一樣在時刻不停地發射著大量的光和熱。地球上的所有生命， 包括今天已經成為能源的古代生命( 煤和石油) 都依賴於它的光和熱。每年地球上接受到的太陽能就是目前人類每年耗能量的100 多倍。太陽和恒星的這巨大能量是從何而來的呢？ 1920 年， 英國天文學家愛丁頓猜測， 太陽的能源可能來自亞原子粒子的相互作用。隨著物理學的進展， 這個猜測越來越顯得言之有理。1929 年， 美國天文學家拉塞爾指出， 構成太陽的主要成份是氫。由此推論， 如果太陽的能量來自核反應， 那麽最可能的就是核聚變。後來， 天體物理學家根據太陽的密度、溫度， 所存在的原子核種類以及各自的數量， 來研究太陽上究竟發生著哪些過程。
1938 年， 美國物理學家貝特首先指出， 熱核反應是長期維持太陽這類恒星能量消耗的最主要的能量來源。貝爾的這一重要研究成果解決了長期以來令人困惑不解的恒星能量來源問題。
貝特的研究表明， 在太陽內部最可能發生的核反應是質子-質子反應和碳、氮、氧循環。這兩種反應的結果都是4 個質子合成一個氦原子核。太陽中心是一個溫度高達數百萬度， 物質密度是地球上固體的1000 倍的極端環境。在這樣的條件下， 氫原子中的電子擺脫原子核的束縛而逃逸， 隻剩下赤裸裸的氫原子核( 即質子) 。這些氫原子核在相互的撞擊中， 克服了靜電斥力， 經過一係列中間反應， 最後由4 個質子合成一個氦原子核。這個反應完成後， 產生的氦原子核的質量比原來的4 個氫原子核的質量減少了0. 7% 。據估計， 在太陽中每秒鍾有6. 5 億噸氫聚變成氦， 也就是說， 每秒鍾在核反應中將出現455 萬噸的質量虧損。由愛因斯坦揭示的質能關係式： Ε= MC2 ， 可計算出伴隨著這些減少的質量所釋放出的能量真是大得驚人。
大自然本身給人類樹立了榜樣。很自然， 人們就想到能不能讓太陽上麵所進行的核聚變反應在地球上進行呢。這樣， 人類麵臨的能源問題將徹底解決。困難也是十分明顯的， 在地球上難以獲得太陽中心的條件， 所以， 物理學家就想找到這樣一種核聚變， 它產生的能量與太陽上的核聚變反應差不多， 但又比較容易發生。
由氫想到了它的同位素。氫有3 種同位素， 即氫、氘、氚。氫的原子核隻是一個單獨的質子； 氘的原子核包括一個質子和一個中子氚的原子核則是由一個質子和2 個中子構成的。氘和氚都比氫容易聚合成氦， 但氚的數量相當少， 所以被寄希望的是氘。
現在， 物理學家已經研究清楚了， 要通過氘核聚變得到能量， 它的基本條件有2 個： 一是高溫； 二是滿足勞遜判據。
先說高溫條件。要使氘核( 或者氘核與氚核) 聚合在一15起， 必須使兩個原子核彼此靠近到10 -米， 這是核力作用範圍。但是， 原子核都帶正電荷， 在這樣小的距離上， 庫侖斥力變得非常之大。為了克服庫侖斥力， 氘核應有足夠大的初始動能， 這就相當於把它們加熱到4 萬度以上的高溫狀態。在這樣高的溫度下， 氘原子中的電子有了足夠大的動能， 可以脫離原子核而自由運動。整個氘燃料就成為一團帶正電荷的氘離子和帶負電荷的電子的混合物。這就是物質的第四態―――等離子體， 它總體上呈電中性。當等離子體的離子和電子溫度超過某個特定值時， 通過核聚變反應釋放出來的能量將會超過等離子體由於輻射而消耗掉的能量。這時等離子體的溫度才能維持下來， 核聚變反應才能持續不斷地進行下去。
再說勞遜判據。所謂勞遜判據， 指的是這樣一個關係式：nτ≥1014 cm -3 ・秒式中， 是等離子體單位體積的粒子數目；τ是等離子體在這個密度的約束時間。
這個關係式是相對於氘和氚反應而言的。意思是等離子體必須在足夠高的密度下， 約束足夠長的時間， 才能保證氘核和氚核相互作用而發生聚變反應。否則， 在極高溫下等離子體中粒子高速運動， 如果不加約束， 會在一刹那間等離子體飛散和冷卻。
這二個條件合稱為核聚變的點火條件。為了獲得足夠的聚變能， 不僅要把等離子體加熱到近億度的高溫， 而且還要把一定密度的等離子體約束足夠長的時間。這顯然和氫彈不同。製造核聚變反應堆， 需要一個比較和緩的引爆裝置， 並且應使核聚變反應受到控製， 才不會引起爆炸。
目前， 物理學家正在沿著兩條不同的思路， 進行受控核聚變反應的研究。
一條是磁約束聚變研究。要把發生聚變的等離子體約束在一起， 同時又要使溫度不變， 這是一件很難的事。顯然， 沒有任何一種材料做成的容器經得住近億度的高溫。科學使人聰明， 聰明的科學家找到了一種燒不壞的容器， 就是磁場。既然等離子體是由離子和電子組成的， 用磁場可以限製這些帶電粒子。根據這樣一種思路， 已出現了一些磁約束裝置， 例如環流器( 也稱托卡馬克， 俄文音譯， 是帶有真空室的環形磁場) 、磁鏡、仿星器等。特別是環流器， 它已接近點火條件， 如果能進一步提高它的經濟性能， 成功的希望是極大的。
另一條是慣性約束聚變研究。所謂慣性約束， 實際上是不約束， 而是設法提高等離子體的密度， 靠粒子的慣性， 在它們還來不及跑散就發生聚變反應， 取得足夠能量。在這方麵， 我國著名物理學家王淦昌， 在1964 年提出了用激光引發氘核放出中子的想法。這在當時是一個全新的思路， 現已成為慣性約束核聚變的一個重要研究題目―――激光慣性約束核聚變。
激光慣性約束就是利用高功率的激光均勻地照射氘―氚燃料靶， 由靶丸物質的熔化噴射而產生的反衝力使靶內物質受到壓縮， 並迅速達到高密度和熱核燃燒所需的高溫， 從而發生熱核燃燒( 即聚變)， 釋放核聚變能。目前這一方麵的研究也已接近點火條件。
王淦昌是研究核物理的專家， 但他能將激光和核物理結合起來， 產生出非常有價值的想法。科學研究常常是這樣， 不同學科的交叉， 不同理論的結合， 甚至把不同現象聯係起來， 都會產生新的東西。這也是一種創造， 但它需要有廣博的知識和開闊的思路。
現在， 磁約束核聚變與慣性約束核聚變都已接近成功， 究竟哪種途徑更快， 還很難說。不過， 我們相信人類一定會實現和平利用核聚變能這一遠大目標。
