核反應(yīng)

在我上高中的時候，就發(fā)現(xiàn)了化學(xué)課本上一件奇怪的事。課本說質(zhì)子的質(zhì)量是1.0073個原子質(zhì)量單位（atomic mass unit，縮寫為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，也就是說碳12原子的質(zhì)量就是12 amu。那么問題來了，碳12原子中有6個質(zhì)子、6個中子，它們的質(zhì)量加起來就已經(jīng)超過12 amu。這還沒算12個電子呢。質(zhì)量怎么不守恒了？

現(xiàn)在我們明白，不守恒就對了。6個質(zhì)子和6個中子放在一起質(zhì)量減小，是因為它們（統(tǒng)稱核子）結(jié)合成原子核時放出了大量的能量。這個能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平時見到的化學(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小的原子核，稱為裂變，也可以是幾個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)量變化來描述化學(xué)反應(yīng)，而在描述核反應(yīng)時質(zhì)量變化就是最常用的說法。

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，原子核包括一個質(zhì)子和一個中子，而普通的氫原子核就是一個質(zhì)子），通過聚變反應(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45萬億噸氘，足夠人類使用上百億年。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，人類從此過上了幸福的生活……啊不，質(zhì)能方程給我們的只是一個潛在的可能性，真要實現(xiàn)核反應(yīng)，需要的工作可就多了。無數(shù)的科學(xué)家和工程師從此過上了疲于奔命的生活。

恒星的孩子

古往今來，對太陽的崇拜遍及許多宗教和無數(shù)人，但誰也不知道太陽發(fā)光發(fā)熱的根源是什么。直到1938年，美國物理學(xué)家漢斯·貝特（Hans Albrecht Bethe，1967年諾貝爾物理學(xué)獎得主，1906 - 2005，享年99歲的超級硬朗老爺子）才發(fā)現(xiàn)太陽的能量來自于核聚變。《費曼物理學(xué)講義》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生說：“天上的星星好美呀！”貝特說：“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。”女生笑笑，沒說話?？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，核聚變是不會發(fā)生的。但在太陽中心，1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下，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)圈和整個人類。大自然的安排多么不可思議！

再過50億年，太陽將變成紅巨星，氦開始聚變生成碳。到那時，太陽的體積會劇增，把地球吞噬掉（是的，不從地球移民出去，人類的命運就是被太陽吞噬）。在后面的演化階段，碳還會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，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，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

在太陽中心，氫可以在1500萬度的高溫和2000億個大氣壓的高壓下聚變成氦。而在地球上沒有那么高的壓強(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，再通過聚變放出更大的能量。原子彈的威力通常為幾百至幾萬噸級TNT當(dāng)量，氫彈的威力則可大至幾千萬噸級TNT當(dāng)量。

中國第一顆氫彈爆炸

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

可控核聚變的難點，在于兩個問題。一，如何將聚變材料加熱到這么高的溫度？二，用什么容器來裝溫度這么高的聚變材料？把核聚變反應(yīng)堆看成一個火爐，第一個問題就相當(dāng)于“怎么點火”，第二個問題相當(dāng)于“怎么保證不把爐子燒穿”。

對第一個問題的回答，慣性約束激光點火是一條思路。把聚變?nèi)剂戏旁谝粋€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。美國的“國家點火裝置”和中國的“神光三號”等實驗裝置，走的就是這條路。

對第二個問題的回答，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），用超強(qiáng)磁場約束等離子體，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；而如果處于運動中，聚焦點火又變得困難。這就是可控核聚變難度如此之大的原因。

順便說一句，有一個提法叫做“冷聚變”，號稱在某種實驗條件下，常溫常壓就能實現(xiàn)核聚變。冷聚變不時地吸引一群人過去研究一通，但從來沒有得到過確定的結(jié)果。我對它的看法跟大多數(shù)人一樣：大半是忽悠。不過還是持開放的態(tài)度吧。

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

可控核聚變什么時候能實現(xiàn)？有個笑話是“永遠(yuǎn)還需25年”。有人估計是2050年。不過這些全都是猜測，由于難度太大，無論任何時候能搞出來都是好的。我們在目前能做的，就是多試驗，多投入。在條件允許的范圍內(nèi)，只問耕耘，不問收獲。即使是失敗的探索，也會獲得經(jīng)驗教訓(xùn)，對將來是有益的。