追寻终极能源：浅谈受控核聚变


　　最近中国造了一个被记者们称为“人造太阳“的科学实验装置，代号EAST。这个装置号称可以解决能源问题，最终目标是提供一种取之不尽用之不竭，绝对安全而且还没有污染的能源。在国际上，2006年各方终于签署协议，开启一个有史以来最大的国际科学合作项目，在法国南部的 Cadarache 也建设一个“人造太阳“，称为 ITER。这个项目的总投资在30年之内超过120亿美元，中国也参与了，并且负担前十年大约60亿美元中的10亿。
　　　　
　　这些装置被称为“人造太阳“，是因为其释放能量的方式跟太阳类似，都是核聚变。不过除此之外他们跟太阳就没有更多的相似之处了，比如说不管是 ITER 还是 EAST，其设计运行温度都比太阳高得多。
　　　　
　　本文试图用一般人能看懂的方式介绍一下相关的知识，也就是受控核聚变。
　　　　
　　聚变能源这个梦，人类已经做了70年。现有的原子能反应堆都跟原子弹原理类似，是利用核裂变。就算能解决其中的污染和安全问题，核原料是有限的，如果放开用的话可能坚持不到下个世纪。而聚变则完全不同，原理类似于氢弹，它的污染要小得多（也不是绝对没有污染），基本上可以说绝对安全，最重要的是其原料可以从海水中取得。理论上一桶水中含有的“聚变原料“所释放的能量等于300桶汽油，所以几乎就是取之不尽的。我们玩的所有即时战略游戏里面都有关于能源的争夺，但受控核聚变一旦做成，未来人类可能甚至根本不必为能源操心。基努里维斯1996年的科幻电影《Chain Reaction》（链式反应）说的就是受控核聚变发电做成了的故事（尽管链式反应其实是核裂变过程），《Spider-Man 2》里面那科学家搞的也是受控核聚变。
　　　　
　　这的确是个很酷的科学项目。比如你跟人说你是做等离子体的，别人还以为你说的是那种竞争不过液晶的大电视，但如果你说等离子体主要研究受控核聚变，他要不懂的话可能马上要跟你谈风险投资。
　　　　
　　所以你有义务进一步告诉他，受控核聚变这东西未来50年之内做不成。否则还搞什么国际合作早就保密专利了。上世纪五十年代以前，关于受控核聚变作为新能源的研究，各国都是保密的。后来大家感到实在难做，1958年开了个会全面公开了。受控核聚变现在与其说是一个技术，不如说是一个科学。 也就是说大家搞科研主要为了发文章而不是为了专利。
　　　　
　　霍金说，科学家和妓女是两个能从自己的工作中获得乐趣的职业。这么多人明知道一直干到退休可能都做不成还要继续做，一方面是各国政府的确往里面投钱，另一方面当然这里面也有很多有意思的东西。本文的目的不是为了劝谁给聚变研究投钱，而是为了让更多的人能够体会其中的乐趣。当然我也是想通过写这么一篇文章能够使自己对相关领域加深了解，就好比说想要学好一门学问，最好的办法就是写一本这方面的书。
　　　　
　　拍电影要找舒淇，搞物理要搞性感物理。核聚变这些东西听起来似乎实用性很强，但是内容显然不如超弦激动人心，不如克隆通俗易懂，不如密码破译有刀光剑影。我以为这门科学的美感在于她的复杂。比如《Physics Today》杂志曾经有篇文章说模拟受控核聚变装置，是目前人类计算手段的最大挑战。不知道有多少新的算法被发明出来在超级计算机上付诸实施，耗费了不知道多少时间，和计算机时间。我希望能够找到什么办法让人能够理解这种复杂性。
　　　　
　　做了一点前期准备工作，找了至少五本参考书。正如费曼说物理学的发展往往超过书籍出版的速度，我将参考最新的文章资料，也要用到 google 和 wikipedia。（在网上灌水这么认真的人不多吧） 如果谁看完这个系列文章之后能跟一个等离子体专业的研究生说出一件他也不太清楚的事情来，那是我最希望看到的结果。
　　　　
　　我本人还是个菜鸟绝非专家，此文属于抛砖引玉，错误在所难免。如果有专家看到一定要批评指正，不要客气，因为万一有中学生看见别误人子弟。同时也请提醒我不要错过任何有意思的内容。
　　　　
　　费曼说，如果你不能用通俗语言来描绘这个事情，说明你自己没有完全理解。我要尽最大努力让一般人能够看懂。如果你看完觉得受控核聚变特别简单，你错了。如果你看完觉得这些东西特别难，我错了。
　　　　
　　本文将会出现几个数学公式和一些图表。霍金写《时间简史》的时候只保留了一个公式，因为有人跟他说每一个数学公式都会使读者减少一半。我认为千言万语也不如一个公式说得明白，谈物理不用公式就好像日本人拍AV打马赛克一样不够意思。当然最后如果这篇文章没什么点击率，我可以说都是那些数学公式造成的，正确计算应该把点击率乘以2的数学公式总数次方。
　　　　
　　下面用一段经常被科普读物放在前言部分引用的话自勉：
　　　　
　　物理学家 Leo Szilard 有一次向他的朋友 Hans Bethe 宣布他想写日记。“我不打算发表。我只是把事实记录下来作为向上帝提供的信息。“
　　“难道你不认为上帝知道这些事实么？“Bethe 问。
　　“是，“Szilard 说，“他知道这些事实。但他不知道这个版本的事实。“
　　（Hans Christian von Baeyer, 《Taming the Atom》）
费曼给本科生上课的时候第一件事是告诉学生，如果现在出现什么大灾难导致这一代人类灭亡，以至于只能给下一代留下一条科学知识，这条知识就应该是“东西是由原子组成的“。这么说当然也不严密，比如说光，就不是原子组成的。为了理解核聚变，我们不但要知道东西是原子组成的，还要知道原子是什么组成的：

　　这是一张最常见的原子结构图，从这张图我们看到原子分为原子核，和核外的电子。这些电子的轨道被人用在好多 logo 上，简直成了科学本身的象征。有人由此联想到太阳系，原子核就好像太阳，电子们就好像行星，并由此进一步想到原子里面是不是也有大千世界？有没有人住在电子上？答案是不太可能，因为这张图完全画错了。
　　　　
　　电子没有轨道。原子核外哪怕只有一个电子，它也无处不在，它同时出现在原子核周围的所有区域。你甚至不能说“这个电子的位置是。。。“，因为在这种微观尺度下位置这个概念本身都有问题。如果电子上面真有一个人，这个人也必然同时出现在“原子小宇宙“的所有地方。一旦到了微观尺度，我们生活中习以为常的很多观念就完全不好使了，后面我还要介绍另外两个怪异的事实。
　　　　
　　如果把原子“放大“到足球场那么大，那么原子核的尺度比一个乒乓球还要小得多，但是这个足球场的全部质量几乎都集中在这个超小乒乓球上。原子核由带一个正电荷的质子（图中日本人说的阳子，按英文用 p 表示）和不带点的中子（n）组成，而电子（e）带一个负电荷。这张图的另一个误导之处是似乎质子和中子就好像两种小球互相挤压，排列在特定的位置上。实际上质子中子也“同时出现在所有地方“，只不过在原子核的小小区域内出现的概率远远远远大于其他地方而已。质子和电子之间有电磁引力，使得电子围绕在原子核周围不跑，而质子和中子之间靠所谓“强相互作用“，也可以称为“强力“，粘在一起，这个力在这么小的区域内强度远大于质子之间的电磁斥力，保证原子核不散架。
　　　　
　　一个原子的“种族“，取决于其原子核有多少个质子。比如氢原子有一个质子，氦原子有两个质子，锂有三个，元素周期表就是这么排的。中子的数目大体跟质子数相同，但是也有出入。只有中子数不同的原子称为同位素。比如标准氢原子不含中子；氘，氢原子的同位素 ，由一个质子和一个中子组成；氢的另一个同位素氚，则有两个中子。中子数目不改变原子的任何化学性质，同位素仅仅是质量不同。核外电子的数目“正常“情况下等于原子核内质子的数目，保证整个原子不带电。但也有时候会有一个或几个电子被撞击出去（电离），这样原子就成了离子。可以说如果质子数决定原子的“种族“，电子数则决定他的“个性“。
　　　　
　　质子和中子的质量差不多大小，而电子质量则是质子的1/1837。物理学家已经可以精确计算单个质子，中子，电子，和原子核的质量。现在第二个怪异的事实出现了：原子核的质量，小于组成它的质子和中子的质量之和，2小于1加1。在生活中如果你把两块小橡皮泥捏成一块大的，质量绝对不会减少吧。正是这个怪异的事实才导致了利用原子能的可能性！
　　这时候要用相对论了，E = mc^2，这个公式告诉我们的事实是质量和能量之间可以互相转化。当几个质子和中子“结合“起来组成原子核的时候，他们要损失一点质量，把质量转化成用于结合的能量，这个能量差异就是“结合能“：

　　上面这个图表现了氦原子核（也叫阿尔法粒子）的结合能。两个质子加两个中子的质量比整个原子的质量大，这个能量差异是 0.0304 u，也就是说结合能是28.3 MeV。这里的eV是物理学用的能量单位，一个电子伏特相当于1.6x10^(-19)焦耳，一焦耳相当于把102克东西抬高一米所需要的能量。MeV也就是百万电子伏特，按照爱因斯坦的质量能量转换公式，一个电子的质量全部转化成能量的话，是0.5个MeV。至于说到底是怎么转化结合在一起的？这就绝非本文所关心的了。
　　　　
　　如果把质子和中子统称为“核子“，那么对于不同原子，其原子核的结合能除以组成原子核的核子数，也就是平均到每个核子牺牲自己质量来“贡献“多少结合能，对于不同原子来说可能大不相同。有些原子核相当松散，有些则相当紧密。

　　这张图的横坐标是不同原子的原子核中的核子数，也就是质子数加上中子数；纵坐标是平均到每个核子身上的结合能。可以发现铁原子的平均结合能最高，因此铁原子的原子核也最稳定。那些原子数特别大的原子，其平均结合能慢慢减少，原子核趋于不稳定（“结合“不住了），一个大原子核有可能在某种条件下分裂成几个小原子核。这就是为什么元素周期表上只有有限多个不同的原子，因为太大的原子不能稳定。
　　　　
　　注意这里说的“稳定“是原子核的稳定，指原子核是否容易分裂，它不同于化学意义上的稳定。化学稳定是说其核外电子容不容易被电离出去。如果跟化学稳定性比较，注意到把氢原子电离一个电子出去只需要13.6eV的能量，也就是说原子核的结合能相当于核外电子电离能的一百万倍，这就好比说改变一个人的种族要比改变他的个性困难得多的多。
　　　　
　　现在可以谈谈原子弹的原理了。从上面图中可以看出铀235的平均结合能比较低，在一个慢中子的轰击之下，它就会发生裂变，如下图：