科普核聚变补遗
作者：@中科大胡不归
最近我写了一篇《科普核聚变》（http://weibo.com/p/1001603829864951081553），解释核聚变的基本原理，以及中国最新的核聚变装置“科大一环”。写完以后想到还有一些值得讲的，读者也提出了一些问题，就在这里以问答的形式补充一下。
问：E = mc2，能量只和物质质量有关？和物质种类无关？
答：是的。这正是相对论的神奇之处，完全不依赖于物质的具体性质，因为它的推导仅仅基于相对性原理和光速不变原理。一个理论的普适性越强，在科学中的地位就越高。爱因斯坦从极少的前提得出了极其丰富的结论，所以是科学史上的超级大神。
问：核聚变为什么很难发生？
答：质能关系只能告诉你核反应发生前后的能量变化，但不会告诉你反应的过程。核聚变要发生，必须首先让两个原子核靠得非常近。非常近是多近？在10-15米的量级。要知道一个原子中原子核跟电子的距离都有10-10米的量级，也就是说两个原子核要靠近到比原子的尺度小10万倍才能聚变！在这样一个小得不可思议的距离下，核子之间具有很强的吸引力（核力）。然而核力随着距离的增加下降得非常快，稍微远一点就几乎为零了。打个比方，核子就像近视度数很深的恋人，离得很近时会拉住手，但离得稍远时就看不见了，形同路人。
这就带来一个严重的问题。核子包括质子和中子，中子没有电荷，但质子有正电荷，所以质子和质子之间具有静电排斥力，根据库仑定律这个力反比于距离的平方。当距离小到10-15米的量级时，核力的吸引超过静电力的排斥，两个原子核会聚合到一起，放出大量的能量。但它们很难从正常的距离（比如说10-9米）开始达到这么近，因为当距离稍微大一点时，核力就小于静电力，净作用就成了排斥。好比恋人们都穿着红色衣服，而红色跟红色之间离得远远的就会互相推开，那么他们还有多少机会接近到足以拉上手？当然，不是完全不可能。如果两个原子核一开始的运动方向就是相向而行，而且初速度很高，那么它们会一边靠近一边减速，原则上有可能在相对速度减到零之前达到10-15米的距离。这就是发生核聚变的希望。
问：为什么高温高压有助于发生核聚变？
答：温度正比于原子核的动能，相当于原子核运动的剧烈程度。压强是原子核对容器产生的撞击作用，相当于原子核运动的受限程度。在越小的空间里运动得越剧烈，两个原子核克服静电排斥达到聚变距离的可能性就越大。好比原子核是一群宅男宅女，宅在家里是没有前途的，要找到对象就必须出去跟人接触，相亲的诚意越高、次数越多，才越有机会脱单。高温和高压的效果在一定程度上可以互换。在太阳中心，由于压强高达2000亿个大气压，所以“只需要”1500万度的“低温”就可以把氢聚合成氦。但在地球上，由于压强达不到那么高，所以得把温度提高到上亿度才行。
问：核裂变为什么比核聚变容易得多？
答：核聚变的困难来自两个原子核接近时质子之间的静电排斥力，而核裂变只需要一个原子核分裂成几部分，要克服的是核力。如果一个原子核很稳定，核力很强，那么它就不会裂变。如果一个原子核不稳定，核力很弱，那么它很容易就会裂变。这里的关键是，外界的温度、压强只影响原子核之间的运动状态，而对于原子核内部完全没有影响。同理，化学组成只影响原子中电子的状态，对原子核内部也完全没有影响。无论是纯的铀238还是铀238的氧化物，单个铀238原子核发生裂变的难易程度都是一样的。所以只要裂变能发生，那么常温常压下它就会发生，而如果裂变不能发生，那么加再高的温度压强也不会发生。我们挑选出来造核武器、核电站的都是容易裂变的原子核，常温常压下就能运作，所以给人的印象就是核裂变很容易。
问：我们现在到底能不能实现可控核聚变？如果不能，那些核聚变装置是干什么的？如果能，为什么还不能实用？
答：这其实是一个语言问题，即什么叫做“实现”了可控核聚变。真正定量的判断标准，是看核聚变装置输出的能量与输入的能量的比例，称为Q值。在普通的条件下，Q = 0，即没有能量输出，完全没有发生核聚变。外界条件提高到一定程度，Q开始大于0了，但还小于1，这时你可以说已经实现了可控核聚变。但是能量输出小于能量输入，能量买卖越做越亏，不能实用，所以你也可以说还没有实现可控核聚变。口头语言怎么说都行，科学家并不在意，真正重要的是定量的数学语言。条件再提高到一定程度，Q > 1，能量输出大于输入，能量买卖有利可图，这可就不得了，能够实用了。这还没完，条件再提高到某种程度，Q会成为无穷大，也就是说不需要能量输入都能产生能量输出。实际的意思是只需要一次点火就够了，然后体系放出的能量就足以支持核聚变持续进行下去，不再需要外界的能量输入。
那么人类的这么多核聚变装置，达到了什么水平呢？大部分还在Q = 0的区域里扑腾，只是摆个pose，锻炼一下队伍。有一些进入了0 < Q < 1的区域，能够发生一点核聚变，不过总能量还是亏损的。这已经很不错，能进行实际研究了。
2014年2月，美国国家点火装置（NIF）的研究者用前面提到的惯性约束法，用192支激光加热和压缩燃料芯块，第一次实现了“燃料增益”，即输出的能量大于燃料吸收的能量。这是个了不起的成就，入选了中国两院院士评选的2014年十大国际科技新闻（http://m.guancha.cn/Science/2015_02_01_308210http://m.guancha.cn/Science/2015_02_01_308210）。不过总的能量收支仍然是亏损的，因为燃料只吸收了外界激光输入的一小部分能量，还有很多能量是被包裹燃料的容器吸收的。下一步的目标是实现“总增益”，即能量输出大于总的能量输入，Q > 1。
问：听说洛克希德马丁宣布要在十年内造出实际运行的核聚变反应堆？
答：嗯，这则消息很诡异。2014年10月洛克希德马丁公司宣布取得技术突破，最快可在一年内完成新反应堆的设计、构建与测试，并可在未来十年内诞生实际运行的反应堆。如果说单说这句话我还是将信将疑，那么他们的另一句就让我呵呵了：构建一个功率为100兆瓦、规格为7 × 10英尺的反应堆具有技术可行性，并且可安装在大型卡车的后端，新反应堆的规格可比目前的反应堆缩小10倍。这宣传的重点完全不对嘛！事实上你既然要实用化，那就要Q > 1，而在这个限制条件下根本就不存在“目前的反应堆”。如果你能实现Q > 1，那么即使你的反应堆比目前的大10倍，花的时间不是10年而是20年，也全都不是问题，大家都会承认你是划时代的进步。这个真正的要点不提，跑来扯什么缩小10倍，搞什么嘛。就像在电报的时代，你宣布发明了电话，这种新的通信方式本身已经非常了不起，结果你却在大吹电话比电报机小10倍，这不能不让人怀疑你的发明是假的。
那么，洛克希德马丁究竟是不是吃错药了？如果不是，他们的底气从何而来？我觉得，他们八成是吃错药了。另外两成呢，是他们自认为找到了“冷聚变”的办法，即在常温常压下实现核聚变。冷聚变这东东是个大坑，许多科学家都参与过研究，屡次报道有实验证据，掀起热潮，但从来没有获得过确认，逐渐又冷下来了。从常理而论，我觉得冷聚变是不可能的，因为如前面的分析，克服质子之间的静电排斥需要极高的能量，用普通的手段无法实现。但是谁知道呢？大自然不止一次地给了我们惊奇。冷聚变毕竟不违反能量守恒等基本原理，不像永动机那样是绝对的不可能。所以我觉得对冷聚变还是应该持开放的态度。当然，搞不出来的可能性远远高于搞出来的可能性，不过它至少是一个严肃的研究领域，而不是骗局。
问：可控核聚变什么时候能实用化？
答：最基本的回答是：无法预测。有人说要25年，有人说到2050年左右，这些都属于自由猜想，姑妄听之即可。这东西和造原子弹不一样。原子弹的物理原理是很清楚的，只要足够多的高浓度的铀放在一起，空气中的中子就会引发链式反应，立刻爆炸。所以造原子弹的瓶颈因素就是浓缩铀，浓缩铀的进度又取决于浓缩技术，如离心机，因此很容易预测一个国家什么时候能核爆。可控核聚变却迄今连技术路线都还没确定，怎么可能做出准确的预测？如果能在煤炭、石油、天然气等化石能源耗尽之前发展出来固然是好的，如果不能那也没办法，只能怪人类命不好，或者不够努力。早干什么去了，愚蠢的人类！
问：如果到化石能源耗尽都发展不出可控核聚变，人类怎么办？
答：作为对化石能源的替代方案，最靠谱的是太阳能，因为它是可再生能源。目前青海德令哈50兆瓦塔式太阳能光热发电站占地面积3.3平方公里，规划总装机容量50兆瓦，年发电量1.2亿度。2014年全国发电量5.4万亿度，按这个数据，4.5万座德令哈塔式太阳能光热电站就能完全替代火电，总占地面积14.85万平方公里。把塔克拉玛干沙漠（33万平方公里）拿出一半来就足以满足全中国的电力需求（鸣谢@镭射A）。此外，著名纳米材料学家、科大校友杨培东的研究组最近实现了人工光合作用，用二氧化碳和水合成醋酸酯，也是一条利用太阳能的技术路线（见我最近的文章《基因改造，光合作用，中国科学家打开两项黑科技大门》http://weibo.com/p/1001603834940193115945）。大力发展太阳能可以保证我们在化石能源耗尽后的生存，这是大战略。至于核聚变，就当它是传说中的大招，使劲憋吧，憋出来就天下无敌了，但千万不要在任何具体的时间指望它。
问：可控核聚变能使人类文明发生多大的变化？
答：举个《三体》中的例子。在此书中我最敬佩的人是章北海。一般的科幻小说里只有一位救世主，而《三体》里有好几位救世主，章北海可称为头号救世主。在太空军刚组建时，总部把太空战争理论研究分成独立的三部分，以适应未来人类世界可能达到的各种技术层次，它们分别是：低技术战略、中技术战略和高技术战略。政治部主任常伟思让32名政治部的军官选择进入哪个研究室，结果是有24人选择低技术战略研究室，7人选择中技术战略研究室，选择高技术战略研究室的只有章北海一人。章北海说，他选择的是胜利的唯一希望，只有达到这一技术层次（飞船速度达到16000公里每秒，即光速的5%），人类才有可能建立有效的太阳系防御系统。章北海有一番高论：“现在最大的问题是科技界的研究战略，他们在低端技术上耗费大量资源和时间。以宇宙发动机为例，裂变发动机根本就没有必要搞，可现在，不但投入巨大的开发力量，甚至还在投入同样的力量去研究新一代的化学发动机！应该直接集中资源研究聚变发动机，而且应该越过工质型的，直接开发无工质聚变发动机。”
这里不讨论发动机有无工质的问题，我们只需确认一点：核聚变是人类进行星际航行唯一可靠的能源。单凭这一点，就可以引出无穷的想象空间。人类文明将从匍匐在地球上的弱小文明，一跃成为能够在星辰大海中穿行的高级文明。
再让我们想起，所有恒星的能量都来自核聚变。《正气歌》说：“天地有正气，杂然赋流形。下则为河岳，上则为日星。”是的，我们将用日星的能量上升到神的高度。
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