科普：當一種技術承載人類未來的所有希望，它應該成為一種信仰！

摘要：可控核聚變技術就是模擬那樣的環境來製造恒星，更基本的原理就是讓兩個質子盡可能靠近，靠近到一個普通原子直徑的萬分之一。劉慈欣小說三體的第二部就給我們描繪了可控核聚變做到後的世界，首先所有的電器不再有插頭，無線充電技術大量普及。

哈嘍，大家好，歡迎來到「達叔說天文」，今天咱們來深度聊聊「可控核聚變技術」對人類當前和未來有著怎樣的重要意義，從而建立起對它該有的重視和信念。好了，廢話不多說，咱們開始吧！

可控核聚變技術

如果我說可控核聚變可以徹底解決人類未來的能源問題，你也許會疑惑？不就是用核能發電麼，這不是早就已經做到了。而且時至今日也沒有看出這項技術有什麼革命性的優勢。截止2017年，核電站的發電量占比只有10.5%，我們的電費依然很貴，反而幾次核電站事故到是讓人們心有餘悸。

核電站

國家有什麼技術突破，也就是在新聞聯播上最多不過10分鐘的報導，幾個專業名詞，幾個要表彰的先進，平鋪直敘過後我們並不會有什麼感覺。平常流量最大的娛樂網站，絕對不會插播這些無聊消息。但是，對這一領域稍有了解的人士，對可控核聚變技術都有著信仰般的渴望，甚至將其看作人類文明能否長久延續的最關鍵因素。今天我們就來看看這項技術的潛力，建立起對它該有的信念。

劉慈欣

首先，原子能技術的理論基礎，就是根據狹義相對論推導出來的質能方程（E=MC^2），結論就是：能量和質量是可以相互轉化的。原子核內質子和中子的聚集或裂開會產生新的元素，同時伴隨質量的損失以及能量的釋放。比較容易做到的是重原子的裂開，即可控核裂變。用中子去撞擊本來就在緩慢裂解的反射性元素就可以做到，於是原子彈就被製造出來，原料是放射性的鈾235或钚239。

裂變反應圖

中子撞擊到原子核使其裂開後，本身就會釋放出中子，這個中子再去撞擊其他原子核，形成鏈式反應。反應的劇烈程度取決於原子的密度，密度越大被中子撞擊到的概率就越大，反應也就越劇烈。這樣密度大了就是原子彈，密度小了就是核電站。所以有核國家的核心技術就是燒錢的鈾濃縮技術，這就是為什麼原理大家都懂，但是有些國家還是造不出核彈的原因。而核聚變是兩個氫原子核，聚集成為一個氦原子的過程，這個反應中會出現更大的質量損失。

聚變反應圖

聚變反應相同質量的原料所釋放的能量是裂變反應的4倍，但核聚變更大的優勢在於，其原料氫的同位素氘和氚大量的儲藏於海水中，一升海水蘊含的氘和氚聚變產生的能量相當於300升汽油。以現在人類消耗能量的速度算下來，地球上的海水可供人類使用上百億年，話說50億年以後太陽都沒了。所以這就可以說是無限的能源，而且聚變反應沒有任何放射性，其反應產物氦是惰性氣體，不會像現在的裂變核電站發電產生的核廢料一樣危險且難以處理。

可控核聚變技術做到後的展望

劉慈欣小說三體的第二部就給我們描繪了可控核聚變做到後的世界，首先所有的電器不再有插頭，無線充電技術大量普及。其實當前無線充電技術已經做到，無非是無線通信電磁波的高能放大版。只是這樣能量會以電磁波的形式耗散嚴重，但對於能源幾乎無限的世界，即使耗散也無所謂。

劉慈欣的三體小說

用於充電的電磁感應充斥著整個城市，汽車和列車就在空中飛行從不加油，地下也建起了巨大的城市，城市的穹頂直接顯示著萬米高空傳來的天空圖像，電就像空氣一樣隨處都是。由於化石燃料也不再用了，環境幾乎回到了工業革命之前，一切都是用清潔的電來驅動。當然，可控核聚變還有著更深層次人類文明發展的意義，我們可以看到可控核聚變技術的巨大潛力，知道掌握它能為我們帶來更美好的生活。

未來城市幻想

但是換個角度去思考可控核聚變技術的重要性就會對它有更深刻的認識，如果這項技術最終也沒能被人類掌握，那將會是怎樣的景象。畢竟人類不能僅在地球上發展，即使能源取之不盡，其他物質資源也有捉襟露肘的時候。生存空間的拓展就需要太空技術的革命，當前，以化石燃料為動力能達到的速度在星際空間飛行無疑是要老死不知道多少代人。即使燃料和氧化劑充足，把這些能源發射上天也不知道要搞垮多少年的經濟發展。

太空飛機發射

核裂變所需要的原料稀有，而且單位質量釋放的能量效率太低，所以核裂變最終還是會轉化成一個能源問題。這樣看來，以可控核聚變技術為基礎的聚變發動機，無疑是星際航行的最有效途徑。氫原子在宇宙中收集起來也相對容易得多，所以可控核聚變技術才被視為人類能否長遠發展的最關鍵因素！否則我們就只能被禁錮在地球上，以當前相互傷害般的發展模式自生自滅。

可控核聚變技術為什麼難以做到

好了，說了這麼多對可控核聚變技術做到的展望，我們還是得回到現實中來。為什麼我們還沒有用到可控核聚變技術發出的電呢？原因就在於核聚變的反應條件，上億度的高溫以及高壓，這幾乎是太陽內部的環境。其實這樣說有些本末倒置，恒星的反應原理就是靠其巨大的引力擠壓原子產生高溫高壓，使氫原子核（確切的說是質子）發生聚變反應產生能量。

恒星

可控核聚變技術就是模擬那樣的環境來製造恒星，更基本的原理就是讓兩個質子盡可能靠近，靠近到一個普通原子直徑的萬分之一。只有在這樣的距離下原子核內部的強結合力才會起作用，克服質子相同電荷引起的電磁斥力。這里需要科普一下基本力的簡單分類，世界上的力一共分為4種，分別是強力、弱力、電磁力和引力。

原子與電子

強力是作用於原子核內部極短距離的最強作用力，它是構成原子核的關鍵，這也是為什麼原子核內質子都帶正電，卻還能結合在一起的原因。看過三體的朋友應該都對水滴印象深刻，它就是三體人擴大強力的作用範圍，從而製造出了已知最堅硬的東西，對付普通物質構成的人類艦隊也就砍瓜切菜了。

原子核

弱力對特定元素的放射起到制約作用，力量相對較弱，這就是某些元素有半衰期的原因。而我們平時生活中那些所謂的壓力，摩擦力、衝擊力等都是微觀層面電磁力的宏觀體現。比如人與人接觸時產生的壓力，其實是微觀層面原子外圍電子雲之間的電磁斥力所致，嚴格意義上來說這里並沒有發生接觸。

微觀電子雲

引力是4種力中最弱的力，但作用距離幾乎無限，其關鍵性我想已經不言而喻，引力我們每天都感同身受。這里要講的還有溫度，溫度的微觀實質就是粒子做無規律運動的劇烈程度。核聚變就是要在高溫高壓的作用下，讓單個質子擁有更強的動能，使兩個質子得以暴力沖破電磁斥力的作用，進入原子核強力的作用範圍內就能聚合在一起。

質子對撞

只是恒星的聚變反應可以更為徹底，它可以將質子與中子沿著元素周期表的排位，從氫一直聚變到鐵，鐵以上的元素聚變就需要吸收能量了。其實自然界大部分元素就是恒星聚變反應製造出來的，剩下更重的元素是大質量恒星即超新星死亡爆炸產生的。上億度的高溫很難產生，像氫彈這種不可控核聚變反應也是需要一顆原子彈產生高溫來引爆。

超新星爆炸

現在主流的可控核聚變反應裝置是托卡馬克裝置，把氫原子剝去電子，以離子狀態在磁場的作用下高速運動，並用不同方向的磁場使等離子體內部產生電流，做到歐姆加熱點火。當溫度達到反應溫度後用微波作為能量輸入保持超高溫，同時在超強磁場約束下保持等離子體不接觸實驗容器壁，畢竟上億度的超高溫沒有什麼材料敢去接觸。

托卡馬克裝置內部圖

去年，大陸位於合肥的托卡馬克裝置「東方超環」做到了101.2秒持續聚變反應破世界紀錄。在自豪與驕傲的同時，我們也要明白為什麼只有101.2秒，畢竟達到那樣的超高溫並保持住實在太困難。因為外圍約束磁場需要的超導材料，可是要接近絕對零度（-273°C）的，這真的就是冰火兩重天的最高境界！如此巨大的能量作用於如此小的尺度，當前在高的精確度也顯得無比粗糙。

東方超環

好啦，在聚變反應照耀下的世界令人心馳神往，但是走向美好的道路總是蜿蜒曲折的。除了以上討論的地獄級技術難題外，國際政治因素也不一定會一馬平川。畢竟此技術如果一直是中國還有其他後起之秀的國家保持領先，在以石油掌控話語權的歐派克國家，還有以美元和石油掛鉤而確保美元霸權地位的美國，會不會輕易放棄空手套白狼的買賣？我們不得而知！

東方超環

當然發展的阻力並不會阻止發展，希望能開啟大家對科學的好奇，畢竟開拓未來還得需要更多願意參與其中的大腦呀！

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