核反應

在我上高中的時候，就發(fā)現(xiàn)了化學課本上一件奇怪的事。課本說質子的質量是1.0073個原子質量單位（atomic mass unit，縮寫為amu，等于1.6605 × 10^-27 kg），中子的質量是1.0087 amu。然而原子質量單位的定義是碳12原子質量的1/12，也就是說碳12原子的質量就是12 amu。那么問題來了，碳12原子中有6個質子、6個中子，它們的質量加起來就已經超過12 amu。這還沒算12個電子呢。質量怎么不守恒了？

現(xiàn)在我們明白，不守恒就對了。6個質子和6個中子放在一起質量減小，是因為它們（統(tǒng)稱核子）結合成原子核時放出了大量的能量。這個能量遠遠大于平時見到的化學能，所以質量的變化（往往稱為質量虧損）十分可觀。推而廣之，其它各種原子核的質量都不等于組成它的質子與中子的質量之和，質量虧損有的多有的少，取決于核子結合的強弱。

既然不同原子核中核子結合的強弱不同，那么就有可能讓結合弱的原子核中的核子重新整合成結合強的原子核，放出大量的能量。這就好比化學反應，分子中原子的結合有強有弱，讓結合弱的分子（如炸藥分子和氧氣分子）重組成為結合強的分子，就會放出化學能。原子核的重新組合，稱為核反應。核反應可以是大的原子核分裂成幾個小的原子核，稱為裂變，也可以是幾個小的原子核合并成大的原子核，稱為聚變。化學能跟核裂變、核聚變的能量都對應質量的變化，只是化學反應的質量變化遠遠小于核反應的質量變化，所以很少用質量變化來描述化學反應，而在描述核反應時質量變化就是最常用的說法。

1千克鈾238核裂變能產生的能量相當于2500噸煤。核聚變就更不得了，每一升水中約含有30毫克氘（氫的同位素，占氫的1/7000，也稱重氫，原子核包括一個質子和一個中子，而普通的氫原子核就是一個質子），通過聚變反應產生的能量相當于300升汽油的熱能。地球上僅海水中就含有45萬億噸氘，足夠人類使用上百億年。還有人提出到月球上去采集核燃料。

發(fā)現(xiàn)了如此強大的能源，人類從此過上了幸福的生活……啊不，質能方程給我們的只是一個潛在的可能性，真要實現(xiàn)核反應，需要的工作可就多了。無數(shù)的科學家和工程師從此過上了疲于奔命的生活。

恒星的孩子

古往今來，對太陽的崇拜遍及許多宗教和無數(shù)人，但誰也不知道太陽發(fā)光發(fā)熱的根源是什么。直到1938年，美國物理學家漢斯·貝特（Hans Albrecht Bethe，1967年諾貝爾物理學獎得主，1906 - 2005，享年99歲的超級硬朗老爺子）才發(fā)現(xiàn)太陽的能量來自于核聚變。《費曼物理學講義》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生說：“天上的星星好美呀！”貝特說：“是的，然而現(xiàn)在我是世上唯一知道它們?yōu)槭裁撮W爍的人。”女生笑笑，沒說話?？茖W家的浪漫，真是令人憂傷的故事……

漢斯·貝特

在一般的條件下，核聚變是不會發(fā)生的。但在太陽中心，1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下，氫就可以聚變成氦了。這樣的反應已經進行了46億年，向外發(fā)出了巨大的能量。其中很微小的一部分落到地球上，就滋養(yǎng)了地球豐富的生態(tài)圈和整個人類。大自然的安排多么不可思議！

再過50億年，太陽將變成紅巨星，氦開始聚變生成碳。到那時，太陽的體積會劇增，把地球吞噬掉（是的，不從地球移民出去，人類的命運就是被太陽吞噬）。在后面的演化階段，碳還會聚變成更重的原子核。但是要注意，核子結合最緊密的原子核是鐵，也就是說，放出能量的核反應，到鐵這里就結束了，再聚合就只能吸收能量了。在恒星演化的最后階段，有可能吸收能量生成鐵之后的元素，這是宇宙中產生這些重元素的唯一途徑。也就是說，地球上的重元素必然是上一輪恒星演化的產物——我們都是恒星的孩子！

核聚變的途徑

在太陽中心，氫可以在1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下聚變成氦。而在地球上沒有那么高的壓強，要發(fā)生聚變，溫度就只好更高，達到上億度。有什么辦法能達到這么苛刻的條件呢？

核裂變笑了：不要以為有了核聚變我就沒用了，要達到核聚變的條件，還得看我！是的，原子彈是目前唯一可用的實現(xiàn)如此高溫的方法。所以氫彈都是用原子彈引爆的，先用裂變達到聚變條件，再通過聚變放出更大的能量。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級TNT當量，氫彈的威力則可大至幾千萬噸級TNT當量。

中國第一顆氫彈爆炸

人類用氫彈已經用得很溜了，《三體》里都能用它在水星上炸很多大坑，最后拯救人類。但是氫彈是不可控的聚變反應，你總不能用氫彈來發(fā)電吧？所以真正的挑戰(zhàn)是和平的、可控的利用核聚變，俗稱“人造太陽”。

可控核聚變的難點，在于兩個問題。一，如何將聚變材料加熱到這么高的溫度？二，用什么容器來裝溫度這么高的聚變材料？把核聚變反應堆看成一個火爐，第一個問題就相當于“怎么點火”，第二個問題相當于“怎么保證不把爐子燒穿”。

對第一個問題的回答，慣性約束激光點火是一條思路。把聚變燃料放在一個彈丸內部，用超強激光照射彈丸，瞬間達到高溫，彈丸外壁蒸發(fā)掉，并把核燃料向內擠壓。美國的“國家點火裝置”和中國的“神光三號”等實驗裝置，走的就是這條路。

對第二個問題的回答，磁約束是一條思路。把聚變燃料做成等離子體（原子核和電子分離，都可以自由流動），用超強磁場約束等離子體，讓它們懸空高速旋轉，不跟容器直接接觸。EAST等托卡馬克裝置，走的就是這條路。

一大麻煩在于，這兩條路是互相矛盾的。聚變燃料如果處于靜止，就很難不把容器燒穿；而如果處于運動中，聚焦點火又變得困難。這就是可控核聚變難度如此之大的原因。

順便說一句，有一個提法叫做“冷聚變”，號稱在某種實驗條件下，常溫常壓就能實現(xiàn)核聚變。冷聚變不時地吸引一群人過去研究一通，但從來沒有得到過確定的結果。我對它的看法跟大多數(shù)人一樣：大半是忽悠。不過還是持開放的態(tài)度吧。

2015年4月，中國科學技術大學建成國際最先進的反場箍縮磁約束聚變實驗裝置“科大一環(huán)”（KTX）。中、美、俄目前各有16、28、5個核聚變裝置，這玩意燒的就是錢，靠的就是大國雄心。

可控核聚變什么時候能實現(xiàn)？有個笑話是“永遠還需25年”。有人估計是2050年。不過這些全都是猜測，由于難度太大，無論任何時候能搞出來都是好的。我們在目前能做的，就是多試驗，多投入。在條件允許的范圍內，只問耕耘，不問收獲。即使是失敗的探索，也會獲得經驗教訓，對將來是有益的。