再造一个太阳可能吗

    在这个高度工业化的世界，人类对能量的饥渴似乎永无止境，但传统能源却日渐枯竭。从根本上解决这一困境的方法可能是核聚变。从20世纪40年代以来，科学界为让可控核聚变化为现实而进行了艰苦卓绝的探索。《一瓣太阳——可控核聚变的寻梦之旅》讲述的就是这段故事。书中，不仅通俗地解释了可控核聚变以及各种聚变装置的发现与发明的过程及其科学原理，而且讲述了这一过程中科学、技术、工程、政治、经济、军事与外交等因素之间复杂的互动关系。这本书让普通读者也能够轻松地了解什么是核聚变，以及科学家为实现可控核聚变而进行的探索，并进而对核聚变的前景如何作出自己的判断。

    人类早在60多年前就已经开始和平利用核能了，当然那是裂变能，而不是我们梦寐以求的聚变能。第一座用来发电的核反应堆于1951年在美国建成。但是，将裂变用作能源存在许多问题：第一，铀是一种有限的资源，据预测21世纪铀就可能变得非常稀缺。第二，是安全问题。裂变反应堆虽然不会像原子弹那样引起核爆炸，因为其内部的可裂变物质太过分散，但是由于反应堆依靠链式反应，反应的运行可能会过速，从而使反应堆过热引发放射性事故。如1979年的三哩岛，1986年的切尔诺贝利。第三，就是核废料问题。一座发电量为10亿瓦的标准核电站每年会产生约300立方米低、中水平的放射性废料。低、中水平的放射性废物可以近地表掩埋，其放射性会在短短几十年内衰减到安全等级。而高放射性废物则需要特殊处理，因为它的放射性可能会持续数十万年。据估计，每年全世界所有的反应堆总共要产生10000立方米的高放射性废料。

    在第二次世界大战以后，一些科学家意识到用核聚变来获取能量是一个不错的想法，这一观点极富吸引力。

    首先，燃料是存在的：聚变消耗的是氢，或者更准确地说是氢的两种同位素，氘和氚。氘原子是一个氘原子核（一个质子和一个中子）加一个核外电子；而氚的原子核内则有两个中子。如果使氘和氚聚合，你会得到氦和一个中子。一个氘原子与一个氚原子以足够大的速度碰撞就会发生聚变，产生氦、一个中子和许多能量。

    其次，氘很容易从水中提取。海水的每6700个氢原子中就有一个是氘原子。这看上去似乎并不多，但是考虑到全世界海洋中水的数量，其中有足够支持世界数十亿年能源需求的氘。氚是不稳定的原子核，半衰期为12年，所以必须人工制造。最简单的方法是用锂。锂可以从矿物中提取，也可以从海洋中获得，足够支撑全世界数百万年的需求。

    再次，聚变可以产生超乎想像的巨大能量。例如，1座10亿瓦的火力电站每天需要用100节火车车皮装载的10000吨煤。而产出同样能量的核电站每天仅需消耗1千克的氘氚燃料。一台笔记本电脑电池里的锂和45升水里的氘聚变产生的电能，完全可以满足一个普通消费者30年的需求。

    最后，安全问题。与裂变反应堆的核芯存有够用数年的燃料相比，聚变反应堆中的燃料很少，每次只有约10张邮票那么重。因此，即使发生操作故障，反应马上就会停止。另外，聚变反应堆确实会产生一些放射性废物，但与裂变相比，其数量是微不足道的。聚变燃烧后的“灰烬”是氦，是用来填充派对气球、放飞飞艇以及冷却核磁共振仪器的惰性气体。在经过反应过程中产生的高能中微子数十年的轰击之后，聚变堆结构中的金属和其他物质也会具有温和的放射性。所以当拆除一座核电站时，需要将它在浅矿坑中埋上数十年，但时间一到就可以安全地对这些材料进行回收利用。聚变不会产生需要数千年才能降解的高放射性废料。

    核聚变原理并不复杂：当两个质量较轻的原子核聚合为一个较重的新原子核时，大量电子和中子能够逃离原子核的束缚，带来巨大能量。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变。实现这一过程需要高温与高压，才能让两个原子核相互吸引而碰撞。

    这活儿太阳自个儿就能搞定。它的中心温度高达2000万摄氏度，自身重力强大，能形成高压状态，使核聚变得以发生并持续。可是在地球上，由于引力太小、压强不够，核聚变需要在超过1亿摄氏度的温度下才能进行。如果要实现可控核聚变，需要克服的困难主要有两点：如何将氢加热到1亿摄氏度的高温？将氢加热到这么高的温度以后拿什么来装它？

    要实现聚变，就要把氢加热到非常高的温度，至少1亿摄氏度，这时氢变成第四态——等离子体。科学家必须建立起一个系统，能够容纳等离子体，并且不能让它接触容器边缘，因为超高的温度会点燃或熔化几乎所有的物质。而科学家对于超高温等离子体的特性知之甚少。

    但早期热衷于聚变的人们并没有被这些困难所吓倒，他们利用了等离子体同普通气体之间的关键差异，建造有复杂磁场和电场穿过的容器。在聚变研究中出现了一种模式：科学家们会制造出一台新装置；在运转中它会在达到聚变条件的方向上取得进步，但却又不像他们预想的那样多，这要么是因为装置表现平平，要么是因为他们遇到了某种未预见的新不稳定性；前行之路是制造另一台更大更好的装置，如此等等。聚变有了承诺很多但却从未兑现的名声。

    目前实现核聚变的主要有两种途径：磁约束、惯性（激光）约束。

    磁约束热核聚变，是用特殊形态的磁场把超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的聚变反应，释放出热量。它是当前开发聚变能源中最有希望的途径。比如，早期英国的箍缩装置（拖曼）、美国的仿星器（斯皮策），以及后来的欧洲联合环、美国的托卡马克核聚变试验反应堆，还有目前建设中的国际热核聚变实验等等，都属于这种约束装置。

    激光惯性约束的反应堆是在核武器实验室中研发出来的。它并不包含大体积的等离子体，也无须将其加热至聚变温度。它所用的是一个比胡椒粒还小的靶丸，其中充满氘和氚，用世界上最高能量的激光将它们箍缩至1000倍铅的密度。假定箍缩过程是清洁和对称的，由此创造的极高温和极高压会引发一次爆炸性的聚变反应，就像一颗微型氢弹。虽然每一次爆炸产生的能量相对较少，但是如果这种过程能够被诱发而得到好的能量增益，并且能够制造出一个每秒钟产生10次或更多这种爆炸的设备，那么就可能拥有一座电站。旧金山附近的国家点火装置，就是属于这种类型。这台耗资35亿美元的装置于2009年完工，目前研究人员仍在对它进行精密调整。

    核聚变装置的发展过程可以说是一场长达数十年的失望与希望交织的过山车之旅。时至今日，仍有许多人对此持怀疑态度。但是，这些观点不会动摇那些已经为聚变能源之梦奉献了一生的科学家，这些人经受了大起大落、死胡同、错误路线以及小突破的考验。

    核聚变并不是一个科学家们在实验室中闭门苦干的故事，军事上的权衡、政治以及历史中的机缘都持续推动了聚变研究的进程。为日益昂贵的聚变装置提供的资金支持也经历了潮起潮落，这主要取决于政府对寻找新能源的渴求度：20世纪70年代，中东石油禁运导致了聚变经费投入的一次激增；然而，到了20世纪80年代，当油价回落时，研究经费就难以筹集。原子间谍活动、超级大国峰会、恐怖分子的劫机、冷聚变闹剧以及伊拉克战争都曾对聚变的命运产生过影响。使聚变研究得以继续的是一些科学家的坚定信念。聚变科学不是为知识而知识，它没有宇宙大爆炸、黑洞、人类基因组或是猎获希格斯玻色子那样引人入胜，而更像是在一颗坚硬无比的坚果上猛砸，相信终有一天它会裂开。