50. 核聚变是否会成为未来人类永远的能源?
Will fusion always be the energy source of the future?

核能是一种非常高效的清洁能源，它是由物质元素的原子核发生改变而放出的能量，俗称核能。核能与我们所熟悉的支持生命过程的化学能不同，它是原子的核内能量而不是核外能量，而参与生命物质转化的化学能都是核外能量，这些化学反应都不会引起原子核的变化。核变化所释放的能量主要分为两大类：（1）核裂变（nuclear fission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量，称为核裂变能；（2）核聚变（nuclear fusion），即小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量，称为核聚变能。

图1 核能的两种释放过程：核裂变和核聚变

目前人类只掌握了裂变核反应的核能控制技术，目前全世界33个国家已经掌握了核裂变反应堆技术，建成并正在运行的核裂变反应堆大约有400多座，已占人类总能源消耗的10%，占人类总发电量的大约20%左右。核裂变反应的原理非常简单，第44个科学问题中已经介绍过大部分重核是不稳定的，它们会自发衰变，分解为几个轻核，并在核裂变过程中会放出高能射线。

然而依靠不稳定元素自发衰变来获得核的裂变能实在是太微不足道了，不仅是元素稀缺，反应极不安全，而且过程太慢或难以有效控制。后来人类发现可以用中子去轰击稳定的重元素原子核（比如在核裂变反应中使用地最为广泛的铀和钚的核材料），可以诱发重核发生核裂变而释放出持续可控的核裂变能（如图1所示的中子的链式反应）供人类使用，由此人类根据核裂变反应的知识建起了持续、可控、安全的核电站（如图2所示），开启了人类利用核能的时代。人类的第一座商业核电站于20世纪50年代开始运行，到目前为止，全球大约运行着440座核反应堆，能够为人类提供大约10%的电力输出。

图2 核裂变反应堆的结构

核能之所以成为高效能源是因为其能量释放满足爱因斯坦的质能转换公式 E = m c²，根据这个公式可以很容易计算出1克铀235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量总和。而核裂变过程中的质量损失m，可以通过核裂变前后核的质量差来测量，而这个质量差可以用来衡量裂变核能量的高低，也就是只有核能量高的元素分裂为几个能量低的元素核的时候，核裂变才有质量损失，核裂变才会放出大量能量。所以核能量的高低，对于核能的利用是一个非常关键的因素。

衡量原子核的能量高低将涉及到一个称为核结合能（Nuclear binding energy）的概念。我们都知道原子核是由质子核中子组成的，所以核结合能是将原子核完全分离为独立的质子和中子时所需要的能量，或者相反地，将单独的一个个质子和中子结合成一个原子核所释放的能量。当然从理论上讲，结合能当然等于质子和中子结合为原子核过程中核力所做的功，而这个功的大小首先要能够克服质子和质子之间强大的库仑斥力。图3给出了原子核的结合能比较图，从中可以发现核结合能在原子序数的两端较低，而中间较高。所以要更好地利用核能，就要将两端的核通过核反应转变为中间的核，而图3可以清楚地看到存在两种方式来达到这样的目的：一种就是将重核分裂为中间核的核裂变，另一种就是将轻核变为中间核的核聚变，而且可以发现核聚变比核裂变能释放出更多的能量。显然核聚变是更高效的能量产生方式，这一点已经在人类的核武器：原子弹和氢弹的比较中获得了非常清楚地认识。

图3 原子的结合能

然而核聚变目前并非是人类现有技术可以稳定控制的核反应过程，所以可控核聚变还需要人类更进一步的研究和探索才能实现。可控核聚变之所以困难，就是因为核聚变所需要的条件非常地极端：反应过程中至少有上亿的温度去克服质子和质子之间的库仑斥力（大约要达到太阳中心温度的6倍）。在这种温度下，质子、中子和电子将独立存在而形成一种被称为等离子体的电浆类物质（Plasma），而这么高温度的电浆也根本没有任何容器可以约束；而且高温下的质子和中子还必须能够接近到足够的距离（10^-15米以内）发生融合而不至于飞散，这就需要有足够的压力去约束它们进行核聚变反应。对于这两个极端的条件，目前人类只找到了两种似乎有前途的方法：磁约束核聚变（Magnetic confinement fusion）和惯性约束核聚变（ICF：Inertial Confinement Fusion)。

图4 磁约束的托克马克装置和惯性约束的激光点火装置

磁约束就是用强大的磁场去约束等离子体，从而让其发生核反应，该类装置被称为托克马克装置；而惯性约束就是通过快速压缩和加热聚变燃料，在核聚变材料还来不及变成电浆飞散之前依靠强大的惯性压力达到聚变条件。然而这两种方式的实验都已经多次尝试过，目前的实验结果都是：点火前让人充满期待而点火后更让人充满期待。所以关于核聚变预言的一个笑话是：核聚变总是在30年后就能实现。而就在最近，核聚变科学和技术方面取得的进展又一次让人们确信，第一个核聚变能源反应堆最早会在21世纪40年代左右投入使用，不远了，也就是在大约30年以后。

图5 我国中科院托卡马克装置内部检修图曾经创造101秒燃烧记录

2022年12月，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL：Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人员在核聚变方面创造了一个历史性的里程碑，它们的实验确定地发现从聚变反应中获得的能量比投入的能量要多，也就是实现了正能量输出(Burning plasma achieved in inertial fusion, Nature 601, 542-548 2022)。该实验室的国家点火装置(NIF)聚变反应堆是惯性反应堆，它们使用激光产生足够的热量和压力实现点火，将氘和氚(氢的同位素)转化为可以发生聚变的等离子体，在惯性的压力下实现核聚变反应。实验中激光器总共输人了2.1兆焦耳的能量，但反应堆产生了大约2.5兆焦耳的能量，能量大约增加了20%，也就是这个正结果表明确实是发生了核聚变反应！

图6 LINL实验室的激光点火示意图

所以30年的预言又出现了，然而真的可控核聚变在30年后会成为人类持续永恒的能源吗？虽然我们现在还无法确切回答这个问题，但我们相信这个预言不会永远都是一个笑话。