不管怎么说,首先,要从水里提取氢,这需要能量,但并不需要很多能量,至少跟把氢核转变成氦核所放出的能量远远不能相比较。氢弹里所用的氢核不是普通的氢,而是氘(dao,deuterium)或者氚(chuan,Tritium),它们都是氢的同位素,比普通的氢原子核多一个或两个中子,但这并不改变氢的化学性质。氘可以从普通水里提取出来,平均6700份氢里有1份的氘,这好像不多,但它意味着每升水可以当200升汽油那么用。氚在自然界含量并不高,但它可以在核反应里产生,比如用中子轰击锂元素或者硼元素。一个大型核电站(百万千瓦)一年只需要消耗掉100公斤氘燃料。核聚变能放出如此大的能量,而资源几乎取之不竭,那我们还等什么?
1950年人类就开始了对受控核聚变的研究,很多方案和实验都朝这个方向努力着。问题的关键在于氢核带正电,两个氢核发生碰撞而产生氦,这两个核需要有足够的能量来克服两者之间的排斥力。我们知道加热原子能使它跑得更快,因此具有更高的能量,(9-11那节提到过),那么我们要把氢的原子核加热到什么温度才能让他们克服彼此之间的排斥力而碰撞融合呢?答案是一亿度。你会问了,太阳表面才6000度,不是也发生核聚变么?6000度只是太阳表面的温度,太阳内部因为高温高压,温度远远超过了这个温度。氢弹之所以能爆炸,也是因为它用原子弹(铀弹)来点火,原子弹爆炸瞬间,可以产生上亿度的高温。那么受控核聚变呢,我们需要一个容器,太阳发生核聚变不需要容器,但地球上任何物质在上亿度的时候都蒸发掉了。那该怎么办?
我们再稍稍研究一下太阳,太阳上的核聚变之所以不需要容器,是因为万有引力。大量的氢核和氦核因为万有引力而聚在一起,万有引力这时候充当了容器。这无疑给我们一些提示。下面我将介绍两个极为有希望的实验。
托克马克
托克马克装置,因为俄国的首先研究而得名,它使用氢气。但由于高温,氢气分裂成氢原子,进一步丢失掉外层电子而变成自由飞行的氢核,术语叫做等离子体,就是一团在一起的原子核和电子,但彼此没有束缚成原子的物质。任何材料都不能在这个温度下拿来做容器,所以人们使用了磁场。只要原子核在运动,磁场就能提供力把原子核束缚在一起,这样你也可以叫托克马克“磁瓶”。
(左下角的真人给出了这个磁瓶的大小)
我们看一下这个磁瓶。它的形状呢,美国叫面包圈,北京人叫焦圈,它的中心是高真空,氢的等离子体保持在这个真空里。人们通过改变真空里的磁场来加热氢核,当原子核被加热到足够温度,氘或者氚熔合成氦并有释放出中子,中子携带大量的能量,碰撞到一层锂膜上转化成热能,热能被用来发电。中子也有可能同时导致锂核分裂,产生更多的氚,被进一步用作燃料,类似的也可以用铍来代替锂。总的来说,托卡马克装置能产生的氚比它消耗掉的更多。
托克马克无论从体型还是花费上来说都是惊人的,而且它还尚处于实验阶段。法国境内正在兴建的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)是至今最大的托克马克装置,预计在2016年完工。它的真空就有一万立方米,它的目标是用0.5克氘氚混合燃料,持续50万千瓦发电八分钟。如果能像预期的那样,它将是人类实现核聚变的重要一步,但也许实际能发电的托克马克装置要等20年以后,不过嘛,1950年时的科学家也是这么说的。