2014年10月15日，美國洛克希德•馬丁公司宣布，該公司已經(jīng)秘密設(shè)計出一個緊湊型核聚變反應(yīng)堆，1年內(nèi)將進(jìn)行試驗(yàn)，5年內(nèi)將制造出反應(yīng)堆模型，市場化大約需要10年時間。這意味著世界能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生革命性的變化，人類將告別能源緊缺的時代！

核裂變與核聚變

時間拉回到75年前的1939年，第二次世界大戰(zhàn)剛剛爆發(fā)，一封由三位逃難到美國的匈牙利科學(xué)家起草、愛因斯坦參與簽名的呼吁信送到了美國總統(tǒng)羅斯福的桌子上，強(qiáng)烈建議美國馬上開始原子彈的研制工作，以防止納粹德國搶先獲得這種毀滅性的武器。

其結(jié)果是美國研制原子彈的“曼哈頓計劃”啟動，并于1945年成功爆炸了第一顆原子彈。這封呼吁信中有一句耐人尋味的話：“這是歷史上人類將第一次利用并不是來自太陽的能量。”

這意思是，在核能發(fā)明之前，人類能利用的所有能源，風(fēng)能、水能、石油、煤炭炭燃料等，歸根到底都源自太陽能。而核能則是由地球自身的物質(zhì)，按照愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換式(E=mc2)轉(zhuǎn)化而來。

在核能利用中，核材料耗損掉的每一克質(zhì)量(m)，都會轉(zhuǎn)化為這個質(zhì)量與光速平方乘積(mc2)的能量(E)。這是一個天文數(shù)字般巨大的能量！

核能產(chǎn)生有兩種形式。第一種是核裂變，即一個大的原子裂變?yōu)閹讉€小的原子，裂變過程大約會有千分之一的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量。1945年爆炸的首顆原子彈就是這種方式；第二種是核聚變，過程恰好相反，是幾個小的原子聚合為一個大的原子。核聚變的質(zhì)量耗損率比核裂變高出數(shù)倍，因此威力也大得多。1954年，美國在比基尼島試爆成功的第一顆氫彈就屬于這種類型。

無論原子彈還是氫彈，都是瞬間產(chǎn)生的巨大能量，是一種只能應(yīng)用于戰(zhàn)爭的破壞性的能量。核能的和平利用，關(guān)鍵在于核反應(yīng)的可控性，即讓核能的釋放在人工控制下長期持續(xù)地進(jìn)行。核裂變的可控性在“曼哈頓計劃”時代就已經(jīng)解決。1954年，蘇聯(lián)就建成了第一個核電站。到目前，世界核能發(fā)電大約占到總電量的五分之一。

但是核裂變利用有幾個弊病。首先核原料(如鈾235)是地球上的稀有元素，資源極其有限；其次核裂變后產(chǎn)生的物質(zhì)是放射性元素，核廢料的處理是個很頭疼的問題；再就是可能產(chǎn)生核泄漏，是為不安全。蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和日本福島核電站的泄漏事件就是慘痛的教訓(xùn)。因此不少國家現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入限制和縮減核電站的程序。

核聚變就沒有這些問題。地球上蘊(yùn)藏的核聚變原料遠(yuǎn)比核裂變原料豐富得多。作為核聚變原料的氫的同位素——氘，每升海水中就含有0.03克，所以僅在海水中就有45萬億噸氘。而1克氘聚變的能量就可以發(fā)10萬度電。

相對人類的需要，核聚變真可謂取之不盡、用之不竭。另外核聚變是氫同位素聚合為氦，前前后后都是無害元素，沒有核廢料和核泄漏問題，所以既干凈又安全。

核聚變的可控性

如此好事，為何在第一顆氫彈爆發(fā)以后整整60年還沒有和平利用呢？還是可控性問題。

核聚變的原理：4個核子(質(zhì)子和中子)聚合為1個由2個質(zhì)子和2個中子組成的氦原子核。聚變過程大約會發(fā)生千分之幾的質(zhì)量耗損，這個耗損的質(zhì)量就轉(zhuǎn)化為核聚變的能量。核聚變在氫同位素氘和氚之間發(fā)生。氘的原子核由1個質(zhì)子和1個中子組成，氚由1個質(zhì)子和2個中子組成。聚變后多余的中子使灌進(jìn)反應(yīng)堆的鋰裂變產(chǎn)生氚。所以核聚變只需要以氘為原料，而氚可以在核反應(yīng)過程中產(chǎn)生。

要實(shí)現(xiàn)核聚變，第一步要打破核原料原子中原子核和電子的緊密聯(lián)盟，使它們都變成相互脫離的裸原子核(帶正電)和自由電子(帶負(fù)電)，即所謂“等離子體”；第二步，裸原子核要有足夠的動能，以克服它們之間的靜電斥力，達(dá)到核強(qiáng)力(把核子聚合在一起的吸引力)能發(fā)生作用的極小的間距，從而聚合為一個新的原子核。

要完成這么一個兩步曲，就需要一個高達(dá)上億攝氏度的臨界溫度。氫彈轟的一聲沒有問題，但用來發(fā)電，就必須有持續(xù)的高溫，讓核聚變自持式地連續(xù)發(fā)生。最直接的想法，就是要有一個反應(yīng)鍋把高溫約束在一個有限的空間內(nèi)，長期維持核聚變所需要的臨界溫度條件。問題是，我們根本找不到什么材料來制造出這個能耐上億攝氏度高溫而不熔化的容器。

也不是完全沒有辦法。想想人家太陽，就是一個巨大的核聚變反應(yīng)堆。幾十億年下來，它也沒有一口能耐高溫的反應(yīng)鍋，靠的是強(qiáng)大的萬有引力把高溫介質(zhì)凝聚在一起。然而太陽的質(zhì)量是地球的33萬倍，我們根本不可能復(fù)制出類似于太陽那么強(qiáng)大的萬有引力。

好在物體不僅跟萬有引力發(fā)生作用，還跟電磁力發(fā)生作用。通過一個強(qiáng)大的磁場，也可以把高溫等離子體約束在一個有限的空間內(nèi)，像磁鐵把鐵屑吸引在一塊一樣。這就類似于太陽的引力凝聚，構(gòu)成一個無形的“反應(yīng)鍋”。于是就不需要通過耐高溫材料來限制核反應(yīng)的范圍，而是靠電磁力來約束核聚變的空間，就叫做“磁力約束”。

在一個磁力約束的反應(yīng)堆里，通過原料泵不斷地輸入氘和氚混合的等離子氣，同時及時排出核反應(yīng)的產(chǎn)物——氦和其他一些物質(zhì)，核聚變就可以持續(xù)不斷地進(jìn)行。聚變產(chǎn)生的熱量加熱冷卻劑，用以推動渦輪發(fā)電機(jī)。

再一個問題就是，如何產(chǎn)生核聚變的初始高溫。氫彈實(shí)際上是“兩彈合一”。首先爆炸氫彈內(nèi)的一顆裂變原子彈，產(chǎn)生高溫，從而引爆真正的氫彈。民用核聚變顯然不能采用這種方式。不過辦法總比問題多。科學(xué)家設(shè)計出激光引爆的方式，用幾束高強(qiáng)激光照射在同一點(diǎn)上，制造局部瞬間的高溫，引發(fā)初始的聚變反應(yīng)。之后就靠聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

原理是可行的，但實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化還要解決兩個問題：一是小型化；二是經(jīng)濟(jì)性。洛克希德•馬丁公司宣稱，他們的反應(yīng)堆可以讓高溫等離子體自己產(chǎn)生磁約束力，從而大大縮小反應(yīng)空間，所以這個反應(yīng)堆比現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)型聚變反應(yīng)堆的體積縮小了10倍，大約只有2米長1米高。不僅可以安裝在艦艇上，甚至可以安裝在大型貨車上。而其發(fā)電成本大致只相當(dāng)于一個煤炭發(fā)電廠，完全具有商業(yè)價值。

可以想象，只要有一個核聚變反應(yīng)堆能實(shí)際應(yīng)用，憑著人類無限的創(chuàng)造力，小型化和經(jīng)濟(jì)性還會有極大的發(fā)展空間。想一想30年前一臺裝滿一個大房間的穿孔式電子計算機(jī)，其內(nèi)存和運(yùn)算速度可能還不及現(xiàn)在一個小小的計算器。而且以前只能集團(tuán)購買，現(xiàn)在一個小學(xué)生的口袋里都可以揣著一個。

人類現(xiàn)在的主要能源——石油和煤炭，按現(xiàn)在的發(fā)掘度，大概都只有以百年計的存量。一旦核聚變成為人類的能源消費(fèi)方式，能源危機(jī)將成為歷史遺跡。而且?guī)缀跏橇銣厥覛怏w和零放射性廢料排放，會天更藍(lán)、云更白、地更綠。

不過科學(xué)界對這一消息還是持謹(jǐn)慎樂觀態(tài)度。因?yàn)槁蹇讼５?bull;馬丁公司的試驗(yàn)一直是秘密進(jìn)行的，宣稱的200次點(diǎn)火試驗(yàn)，也從未公布數(shù)據(jù)。甚至有科學(xué)家斷言，目前還只是紙上談兵階段，到商業(yè)化的路途還十分遙遠(yuǎn)。但不管怎么樣，我們熱切地期待著奇跡發(fā)生，希望最好的結(jié)果出現(xiàn)。這大概可以成為人類共同的“世界夢”吧？