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核反應(yīng)

在我上高中的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)了化學(xué)課本上一件奇怪的事。課本說(shuō)質(zhì)子的質(zhì)量是1.0073個(gè)原子質(zhì)量單位（atomic mass unit，縮寫(xiě)為amu，等于1.6605 × 10^-27 kg），中子的質(zhì)量是1.0087 amu。然而原子質(zhì)量單位的定義是碳12原子質(zhì)量的1/12，也就是說(shuō)碳12原子的質(zhì)量就是12 amu。那么問(wèn)題來(lái)了，碳12原子中有6個(gè)質(zhì)子、6個(gè)中子，它們的質(zhì)量加起來(lái)就已經(jīng)超過(guò)12 amu。這還沒(méi)算12個(gè)電子呢。質(zhì)量怎么不守恒了？

現(xiàn)在我們明白，不守恒就對(duì)了。6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子放在一起質(zhì)量減小，是因?yàn)樗鼈儯ńy(tǒng)稱核子）結(jié)合成原子核時(shí)放出了大量的能量。這個(gè)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平時(shí)見(jiàn)到的化學(xué)能，所以質(zhì)量的變化（往往稱為質(zhì)量虧損）十分可觀。推而廣之，其它各種原子核的質(zhì)量都不等于組成它的質(zhì)子與中子的質(zhì)量之和，質(zhì)量虧損有的多有的少，取決于核子結(jié)合的強(qiáng)弱。

既然不同原子核中核子結(jié)合的強(qiáng)弱不同，那么就有可能讓結(jié)合弱的原子核中的核子重新整合成結(jié)合強(qiáng)的原子核，放出大量的能量。這就好比化學(xué)反應(yīng)，分子中原子的結(jié)合有強(qiáng)有弱，讓結(jié)合弱的分子（如炸藥分子和氧氣分子）重組成為結(jié)合強(qiáng)的分子，就會(huì)放出化學(xué)能。原子核的重新組合，稱為核反應(yīng)。核反應(yīng)可以是大的原子核分裂成幾個(gè)小的原子核，稱為裂變，也可以是幾個(gè)小的原子核合并成大的原子核，稱為聚變。化學(xué)能跟核裂變、核聚變的能量都對(duì)應(yīng)質(zhì)量的變化，只是化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于核反應(yīng)的質(zhì)量變化，所以很少用質(zhì)量變化來(lái)描述化學(xué)反應(yīng)，而在描述核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量變化就是最常用的說(shuō)法。

1千克鈾238核裂變能產(chǎn)生的能量相當(dāng)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?xì)涞?/7000，也稱重氫，原子核包括一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，而普通的氫原子核就是一個(gè)質(zhì)子），通過(guò)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油的熱能。地球上僅海水中就含有45萬(wàn)億噸氘，足夠人類(lèi)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(qiáng)大的能源，人類(lèi)從此過(guò)上了幸福的生活……啊不，質(zhì)能方程給我們的只是一個(gè)潛在的可能性，真要實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)，需要的工作可就多了。無(wú)數(shù)的科學(xué)家和工程師從此過(guò)上了疲于奔命的生活。

恒星的孩子

古往今來(lái)，對(duì)太陽(yáng)的崇拜遍及許多宗教和無(wú)數(shù)人，但誰(shuí)也不知道太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的根源是什么。直到1938年，美國(guó)物理學(xué)家漢斯·貝特（Hans Albrecht Bethe，1967年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，1906 - 2005，享年99歲的超級(jí)硬朗老爺子）才發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的能量來(lái)自于核聚變?！顿M(fèi)曼物理學(xué)講義》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生說(shuō)：“天上的星星好美呀！”貝特說(shuō)：“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?！迸π?，沒(méi)說(shuō)話?？茖W(xué)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(huì)發(fā)生的。但在太陽(yáng)中心，1500萬(wàn)度的高溫和2000億個(gè)大氣壓的高壓下，氫就可以聚變成氦了。這樣的反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)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(gè)人類(lèi)。大自然的安排多么不可思議！

再過(guò)50億年，太陽(yáng)將變成紅巨星，氦開(kāi)始聚變生成碳。到那時(shí)，太陽(yáng)的體積會(huì)劇增，把地球吞噬掉（是的，不從地球移民出去，人類(lèi)的命運(yùn)就是被太陽(yáng)吞噬）。在后面的演化階段，碳還會(huì)聚變成更重的原子核。但是要注意，核子結(jié)合最緊密的原子核是鐵，也就是說(shuō)，放出能量的核反應(yīng)，到鐵這里就結(jié)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(chǎn)生這些重元素的唯一途徑。也就是說(shuō)，地球上的重元素必然是上一輪恒星演化的產(chǎn)物——我們都是恒星的孩子！

核聚變的途徑

在太陽(yáng)中心，氫可以在1500萬(wàn)度的高溫和2000億個(gè)大氣壓的高壓下聚變成氦。而在地球上沒(méi)有那么高的壓強(qiáng)，要發(fā)生聚變，溫度就只好更高，達(dá)到上億度。有什么辦法能達(dá)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(méi)用了，要達(dá)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(shí)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(dá)到聚變條件，再通過(guò)聚變放出更大的能量。原子彈的威力通常為幾百至幾萬(wàn)噸級(jí)TNT當(dāng)量，氫彈的威力則可大至幾千萬(wàn)噸級(jí)TNT當(dāng)量。

中國(guó)第一顆氫彈爆炸

人類(lèi)用氫彈已經(jīng)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(lèi)。但是氫彈是不可控的聚變反應(yīng)，你總不能用氫彈來(lái)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(yáng)”。

可控核聚變的難點(diǎn)，在于兩個(gè)問(wèn)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(lái)裝溫度這么高的聚變材料？把核聚變反應(yīng)堆看成一個(gè)火爐，第一個(gè)問(wèn)題就相當(dāng)于“怎么點(diǎn)火”，第二個(gè)問(wèn)題相當(dāng)于“怎么保證不把爐子燒穿”。

對(duì)第一個(gè)問(wèn)題的回答，慣性約束激光點(diǎn)火是一條思路。把聚變?nèi)剂戏旁谝粋€(gè)彈丸內(nèi)部，用超強(qiáng)激光照射彈丸，瞬間達(dá)到高溫，彈丸外壁蒸發(fā)掉，并把核燃料向內(nèi)擠壓。美國(guó)的“國(guó)家點(diǎn)火裝置”和中國(guó)的“神光三號(hào)”等實(shí)驗(yàn)裝置，走的就是這條路。

對(duì)第二個(gè)問(wèn)題的回答，磁約束是一條思路。把聚變?nèi)剂献龀傻入x子體（原子核和電子分離，都可以自由流動(dòng)），用超強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體，讓它們懸空高速旋轉(zhuǎn)，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?nèi)剂先绻幱陟o止，就很難不把容器燒穿；而如果處于運(yùn)動(dòng)中，聚焦點(diǎn)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(shuō)一句，有一個(gè)提法叫做“冷聚變”，號(hào)稱在某種實(shí)驗(yàn)條件下，常溫常壓就能實(shí)現(xiàn)核聚變。冷聚變不時(shí)地吸引一群人過(guò)去研究一通，但從來(lái)沒(méi)有得到過(guò)確定的結(jié)果。我對(duì)它的看法跟大多數(shù)人一樣：大半是忽悠。不過(guò)還是持開(kāi)放的態(tài)度吧。

2015年4月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建成國(guó)際最先進(jìn)的反場(chǎng)箍縮磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置“科大一環(huán)”（KTX）。中、美、俄目前各有16、28、5個(gè)核聚變裝置，這玩意燒的就是錢(qián)，靠的就是大國(guó)雄心。

可控核聚變什么時(shí)候能實(shí)現(xiàn)？有個(gè)笑話是“永遠(yuǎn)還需25年”。有人估計(jì)是2050年。不過(guò)這些全都是猜測(cè)，由于難度太大，無(wú)論任何時(shí)候能搞出來(lái)都是好的。我們?cè)谀壳澳茏龅?，就是多試?yàn)，多投入。在條件允許的范圍內(nèi)，只問(wèn)耕耘，不問(wèn)收獲。即使是失敗的探索，也會(huì)獲得經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)將來(lái)是有益的。