可控核聚变的诱惑

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▲ 《流浪地球》中的巨大核聚变行星发动机，高11公里，比珠穆朗玛峰还高（剧照）

▲ 《流浪地球》中给核聚变行星发动机提供燃料的巨大矿山车辆（剧照）

可控核聚变的诱惑

文/ 乔辉

《流浪地球》中有一个非常大胆的设定，那就是首先用核聚变发动机对地球自转进行刹车，然后对地球进行加速，摆脱太阳的引力，直至加速到光速的千分之五，飞往离太阳最近的恒星——比邻星。

刘慈欣的科幻小说经常涉及核聚变堆的概念，核聚变确实是一劳永逸地解决人类能源问题的终极手段。人类目前核聚变已经进展到什么程度了？像影片中那种燃烧石头的核聚变发动机真的能实现吗？

燃烧石头的核聚变发动机

我们知道，氢弹是一种剧烈的核聚变爆炸现象，人类无法直接利用这种能量。人类需要的是可控核聚变，也就是说能够平稳输出能量的核聚变装置，但到目前为止尚处于实验阶段。

如果有人问你，我们什么时候能利用上核聚变的能量，你可以说50年后；再过10年又有人问你同样的问题，你还可以说50年后。这就是核聚变领域最著名的“永远50年”的段子。但随着技术的进步，至少“80后”应该能看到核聚变发电的那一天。

目前，中国的全超导核聚变托克马克装置（EAST）以及国际联合正在建设的国际热核聚变实验堆（ITER）

都让我们看到了希望的曙光。目前人类首先要驯服的是氘氚的核聚变，也是相对最容易的一种核聚变方式。

在影片中，为了推动地球离开太阳系，人类在地球上建造了上万座高耸入云的核聚变发动机，燃烧的不是氢，也不是氦，而是石头。真佩服刘慈欣的想象力。这里的烧石头不是把石头烧成石灰石的化学反应，而是组成石头的元

素的原子核发生聚变的燃烧。

但石头的组成元素非常复杂，主要是氧、硅、铝和钙等等这些原子序数较大的元素。这些元素能聚变吗？能！但实际上，难度恐怕高级外星人也做不到吧。

宇宙当中，这些元素的核聚变发生在大质量恒星演化末期的核心处，这里的大质量最少也要8颗太阳质量以

上了。实际上，我们身边的元素，除了氢和氦，基本都是在恒星核聚变燃烧、超新星爆炸以及中子星合并过程中形成的。有句话说得很好——“我们其实都是核废料组成的”。

理论上，排在铁元素之前的元素都能够发生进一步的核聚变反应释放能量，但总体的趋势是随着元素质量数的增高，原子核越来越难发生聚变，并且能量密度越来越低，能够榨取的能量越来越少，这点反映在原子核的比结合能曲线上。你可以把这个曲线看做是从高原一路奔流而下的河流，河流的落差越大释放的能量越多。反映在结合能曲线上，越轻的元素对应的落差越大，释放的能量也就越多。也就是说，小说中设定的氧、硅、铝和钙等元素的核聚变其实都不如氢聚变高效。

从曲线上我们还可以看出，铁元素的原子核最稳定，已经无法继续榨取核能了，如果想让铁元素继续聚变，反而是吸收能量。比铁更重的元素是在超

新星爆发以及中子星碰撞等极端高能事件中合成的。

说到这里，不得不提一个有趣的事实：2017年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布探测到双中子星合并产生的引力波以及光学信号。在接下来的分析中，科学家发现，此次碰撞产生了相当于10倍地球质量的黄金和铂金，以及16000倍地球质量的其他重元素。根据目前掌握的证据，地球上的黄金基本都是这种方式产生的。当你下次给心爱的人戴上黄金戒指或项链时，别忘心里默默感谢一下中子星哦。

可控核聚变是人类永远追求的

梦想

可控核聚变一直对人类充满着诱

惑，因为这是一种“一劳永逸”地解决

能源问题的终极手段。其实，太阳就是

一种引力约束的可控核聚变装置，但在

地球上人类无法照搬这种天然的手段。

目前，可控核聚变有两个大的方

向：一种是利用磁场约束等离子的方向；

一种是利用强激光对核聚变材料进行打

靶的惯性约束核聚变的方向。

利用磁场约束的核聚变方法，

最出名的构型叫“托克马克装置

（Tokamak）”，这是由苏联物理学家

首先提出并建造的，是目前主流的核聚

变装置类型，包括位于安徽合肥的——

全超导托克马克核聚变实验装置以及正

在法国建设中的国际热核聚变实验装置

等等。

▲位于安徽合肥的中国全超导托克马克核聚变实验装置（EAST）

▲ 激光惯性核聚变使用的核燃靶丸，里面可盛放氘氚气体（左）；激光轰击靶丸产生高温高压条件可与太阳内部相当（右）

▲仿星器的扭曲线圈和等离子体示意图

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此外，还有一种叫“仿星器（stellarator）”的磁约束核聚变构型。德国马普等离子体物理研究所拥有世界上最大的仿星器研究装置，名字叫“Wendelstein 7-X”， Wendelstein 是德国巴伐利亚州一座山的名字。该装置在2018年实现了更高的温度、更高

的等离子体密度和更长的脉冲时间，突破了仿星器的世界纪录。

利用强激光打靶的惯性约束核聚变方法，最具代表性的是美国国家点火装置（NIF），前几年有报道说已经实现了能量输出大于输入的情况。这种方式犹如用激光引爆一颗颗的小型氢弹。

我国著名物理学家王淦昌先生生前就致力于惯性约束核聚变的研究。中国运行的最强系列激光装置神光-I、神光-II和神光-III 主要就是为这项研究做服务的。

人类文明升级需要核聚变

俄罗斯天体物理学家卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）曾经给宇宙文明设定了三个等级：I型文明能够充分利用其所在行星上的能量；II型文明能够充分利用其中央恒星的能量（对于我们人类来讲，就是要能够利用整个太阳的能量）；III型文明能够充分利用其所在星系的能量。

按照这个界定，目前人类还达不到I型文明，文明指数大约在0.7左右。只有到了充分利用可控核聚变的时候，人类才能达到I型文明。

月球上的氦3资源

进入21世纪后，月球探测进入了

一个新高潮。美国、欧洲、中国、日本、

印度甚至以色列纷纷往月球发射了探测

器。探月的科学目标非常多，例如探索

月球的构造、演化和地质情况等等，其

中还有一个功利性的长远目标是勘测月

球土壤中的氦3资源。

早在1986年就有人提出开发月球

上的氦3用来进行聚变。实际上，由

于月壤风化层中氦3的含量并不太高，

获得1克氦3需要处理150吨月壤。

2008年，印度空间研究组织也成

功实施了一次探月任务，航天器的名字

叫“月船一号”。据说一个非常重要的

任务就是调查月球表面的氦3资源，

虽然这点在其科学任务里并没有明确提

及。

中国月球探测工程首席科学家欧

阳自远院士曾经在很多场合表示，勘测

月球上的氦3资源是嫦娥工程的重要目

标之一。因此，在经过嫦娥一号、嫦娥

二号、嫦娥三号以及嫦娥四号成功实施

探月后，相信在月球氦3资源方面应该

有了较全面的了解。按计划，2019年

还将进行“嫦娥五号”的发射，还会从

月球表面采样返回地球，届时就可以在

实验室对月球样本进行直接研究。

氦3是核聚变的良好燃料，反应

后生成氦4和2个质子，由于质子带

电荷，非常容易利用磁场约束和利用。

因此，氦3的核聚变非常干净，不会像

氘氚核聚变那样产生贯穿力非常强的中

子。月球上的氦3是长期遭受太阳风吹

拂的结果，由于没有大气和磁场（也可

以说非常微弱）的阻挡和偏转，月壤中

能够积累氦3。相反，地球就无法积累

氦3资源了。但氦3聚变比氘氚聚变

的难度要大得多，这是由于氦3原子核

带2个单位的电荷，比起带1个单位

电荷的氘氚而言，静电排斥力要大得多，

相对需要更高点火温度。

实际上，太阳释放的半数能量就

源于氦3之间的核聚变。简单来讲是这

样的，首先，质子和质子发生聚变生成

氘，然后氘与质子聚变生成氦3，最后

两个氦3聚变生成一个氦4和2个质子。

总体来讲，就是4个质子聚变成一个氦

4原子核。

私企核聚变装置

在过去，像可控核聚变这种偏基▲ “嫦娥五号”采样返回示意图

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