能源歸途：核聚變

能源不僅廣泛應用於工業、農業、交通和通信等領域，也滲透到人們日常生活的各個方面，是人類須臾不可缺少的東西。當前，人類使用的能源主要有化學燃料、裂變核能、太陽能、風能和水能，以及地熱能等。這些能源在使用過程中都存在一些弊端，如汙染環境、資源枯竭、利用率低、受地域限制大等，難以長期滿足人們日益增長的能源需求。作為一種既清潔安全，又取之不盡、用之不竭的理想能源，聚變核能開始進入人們的視野。

小原子中的大世界

地球上的絕大部分物質是由分子組成的，如水是由H[2]O分子組成的。但也有一部分物質是由原子構成的，如石墨是由碳原子構成的。但分子在化學反應中會破裂成原子，如1個水分子可用電解法或其他方法再分解為2個氫原子和1個氧原子。而原子是化學反應中不可再分解的最小微粒。

原子雖然用化學方法不能再分解，但從物理學的角度仍然可以再分解。隨著1897年英國物理學家湯姆遜發現電子、1918年盧瑟福發現質子、1932年查德威克發現中子的認識，原子的真實面目被全部揭開。原子是由帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成，其直徑的數量級大約是10[-10]米。原子核居於原子的中心位置，其直徑是原子的十萬分之一，它由質子和中子（統稱為核子）構成，核子之間存在一種很強的作用力，叫作「核力」。它是一種短程吸引力，只在原子核直徑的很小範圍內起作用，比電磁力要大130倍，在原子核外，則會迅速降到0。質子和中子質量相當，但質子帶正電，中子不帶電。與質子帶有相同大小負電荷的電子，質量很小，只有質子的千分之一，在庫侖力的作用下，電子在核外較大空間內作高速運動。

同種元素的原子帶有相同數量的質子，而對於某種特定的元素，中子數可以不同。我們把具有相同質子數、不同中子數的原子稱為同位素，它們在元素周期表中所處的位置相同，就像坐在一張椅子上的「孿生兄弟」，儘管體重不同，但模樣和所處的位置一樣。例如，在自然界中，鈾就有鈾-234、鈾-235和鈾-238三個同位素。大多數同位素的原子核都是不穩定的，會自發地放出電磁輻射或粒子，而轉變成另一種原子核，或過渡到另一種狀態。

了解核裂變

原子彈和當前核能發電是最為常見的核裂變應用形式。核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子核（主要是指鈾核或鈽核）分裂成2個或多個質量較小的原子的一種反應形式。以鈾-235為例，當用一粒中子撞擊鈾-235時，短時間形成一個複合核鈾-236，它能分裂成2個（或3個）大小不等的碎片，如1個鋇-144、1個氪-90和2～3個中子。這些碎片的質量總和比攻擊粒子和被擊中的原子核質量之和要小一些，損失掉的質量會轉化為能量。根據愛因斯坦提出的質量能量關係式E=mc²，E為釋放的能量，m為虧損質量，c為光速（米/秒），在鈾原子裂變過程中，損失的質量雖然非常少，但轉化成的能量卻非常巨大。1千克鈾-235裂變釋放的熱量相當於燃燒了約2700噸標準煤。

核裂變，鏈式反應

原子彈與當前核能發電之間最大的區別在於是否能對核裂變進行有效控制。當用中子撞擊一大塊鈾-235或鈽-239時，一個原子核裂變並釋放出2～3個中子，這些中子又會引起另外2個原子核裂變，並釋放出新的中子，這些新的中子又引起周圍原子核裂變，釋放出更多的中子……就這樣，越來越多的中子被釋放出來並引起越來越多的原子核裂變，這個過程就像滾雪球或推倒多米諾骨牌，人們將其稱之為「鏈式反應」，原子彈爆炸時發生的就是這樣一個失控的鏈式反應。而核反應堆是通過插入控制棒的方法來吸收多餘的中子，使得平均起來每個核的裂變正好只引發另外一個核的裂變，這就成了可控的鏈式反應。

裂變核能作為一種安全、低碳、可靠的能源，已被越來越多的國家接受和採用，現已有60多個國家政府考慮採用裂變核能發電。據國際原子能機構預測，到2030年全球的核電裝機容量將至少增加40%。

聚焦核聚變

太陽之所以能發出巨大的光和熱，是因為其內部無時無刻不在進行著核聚變反應，從而釋放出大量的聚變核能。核聚變又稱「核融合」、「熱核反應」，與核裂變不一樣，它不是重原子核的分裂，而是由質量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦）並釋放出巨大的能量。1千克氘全部聚變釋放的能量相當於11000噸標準煤燃燒釋放的能量。

人類歷史上第一顆氫彈爆炸的場面

眾所周知，氫彈爆炸是人類首次運用氘氚核聚變的成功實踐。它需要原子彈才能引爆，這說明核聚變的反應條件異常苛刻，需要有超高溫和超高壓。首先，要使電子脫離原子核的束縛，讓原子核自由運動，這就需要大約10萬攝氏度的高溫讓電子發生逃逸;其次，由於所有原子核都帶正電，按照「同性相斥」原理，質量輕的原子核靜電斥力相對要小（這也是核聚變物質一般選擇氫的同位素氘和氚的主要原因），兩個原子核之間靠得越近，靜電斥力越大。要使2個原子核發生聚變，就必須克服強大的靜電斥力，而這隻有在同時具備1500萬攝氏度的高溫和3000億個大氣壓的壓力條件下才能實現。氫彈能爆炸，就是因為在原子彈引爆的時候給它提供了瞬間的高溫高壓。但這是不可控制的爆炸性聚變，要想實現持續可控的聚變，就必須一直保持高溫高壓。但在地球上無法持續獲得如此巨大的壓力，怎麼辦？這只能通過提高溫度來彌補，不過這樣一來溫度要達到上億攝氏度才行。在這個溫度下，布朗運動會達到一個瘋狂的水平，氘的原子核和氚的原子核將以極快的速度赤裸裸地發生碰撞，根本沒有時間相互躲避，從而結合成1個氦原子核，並釋放出1個中子和17.6兆電子伏特的能量。

為了實現核聚變的持續可控，為人類提供不竭的電力，人們進行了許多富有成效的探索和試驗。2010年9月，我國首次完成了新一代核聚變裝置EAST的放電試驗，達到了預期效果。美國、法國等國家早在20世紀80年代就發起了國際熱核實驗反應堆（ITER）計劃，我國也於2003年加入了該計劃。

聚變核能的優勢

聚變核能相較於化學能、裂變核能等其他能源有著得天獨厚的優勢。

資源豐富燃料足 核聚變能利用的燃料是氘和氚，其中氘在海水中大量存在。海水中大約每6500個氫原子就有一個氘原子，如此算來，氘的總量大約為45萬億噸。按全世界消耗的能量計算，海水中氘的聚變能可用上幾百億年。氚可以由鋰製造，鋰-6吸收一個熱中子後，可以變成氚。地球上鋰的儲量雖然比氘少得多，但也有2000多億噸，用它來製造氚，足夠人類使用3000萬年。由此可見，核聚變能幾乎是一種取之不盡，用之不竭的新能源。

清潔乾淨無汙染 實際上，核反應堆真正燃燒的東西很少。一般核能的功率密度是化學能的百萬倍，現有核燃料能夠燃燒的不到1%，剩餘99%多為乏燃料，由於這些核廢料具有高放射性，又不能用物理、化學和生物方法消除，只能靠放射性核素自身的衰變，但其半衰期長達數千年、數萬年甚至幾十萬年。可見，核廢料的處理也是當今世界的一大難題。而核聚變不會產生溫室氣體和核廢料，不用擔心對環境的影響。

安全可靠能量大 燃燒的等離子體一旦形成，任何運行故障都能使等離子體迅速冷卻，從而使聚變反應在短時間內自動停止，這意味著核聚變反應堆本身具有內在安全性。另外，聚變產生的能量比裂變產生的能量大得多。1千克氘全部聚變釋放的能量是1千克鈾-235裂變釋放能量的4倍。

雖然目前核聚變還沒有完全實現持續可控，但我們相信，在不久的將來，通過科學家們的不懈努力，一定能夠實現聚變核能的和平利用，開始造福人類。