《全球科技大歷史》：人類離「可控的核融合」還有多遠的距離？

文：吳軍

可控核融合還要多久？

1964年，蘇聯天文學家尼古拉．卡爾達舍夫（Nikolal Kardashev）提出了一種劃分宇宙中文明等級的方法，即以掌握不同能量等級為標準，具體如下：

• I型文明：掌握文明所在行星以及周圍衛星能源的總和。
• II型文明：掌握該文明所在的整個恆星系統（太陽系）的能源。
• III型文明：掌握該文明所在的恆星系（銀河系）裡面所有的能源，並為其所用。

很顯然，人類連I型文明也沒達到，因為人類還未能控制地球上能夠產生的最大的能量──核融合。

愛因斯坦早在1905年就指明了人類可以獲得的最大的能量所在，即將物質轉化成能量。原子彈中的核裂變，以及氫彈中的核融合，都是遵循這個原理。人類控制核裂變是在原子彈誕生之前，因此在二戰後，人類很快就開始利用核裂變發電了。

比核裂變更有效獲得能量的是核融合。核融合的原理和太陽發光的原理相同，它是將原子量較小的元素（在元素週期表中必須排在鐵前面）快速碰撞，變成原子量較大的元素。在這個反應中，因為有質量的損失，所以將產生巨大的能量。

核融合比核裂變有很多優勢。首先，從理論上講，在同等質量下，核融合所產生的能量比核裂變高出上百倍，這也是氫彈的當量要比原子彈高出上百倍的原因。其次，核融合所需的材料氘和氚在海水中大量存在，一公升海水中的氘和氚如果完全發生核融合反應，釋放的能量相當於300公升汽油的能量，這種能量可以說取之不盡，用之不竭。

而用於核裂變的放射性元素在地球上的含量很有限。最後，核融合反應沒有放射性，因此更安全。目前人類對核電站最大的擔心是萬一出現故障而導致的核輻射。但遺憾的是，人類在發明核融合武器氫彈之後60多年，依然沒有能力控制核融合反應。

最早提出核融合的是著名的美籍俄羅斯物理學家喬治．伽莫夫，他在1928年，即人類發現核裂變之前就提出了核融合的理論。伽莫夫認為，當兩個核子足夠接近時，強作用力可以克服靜電力（也稱為庫侖障壁）結合到一起。一年後，英國物理學家羅伯特．阿特金森（Robert d'Escourt Atkinson, 1898-1982）和德國物理學家弗里茨．霍特曼斯（Fritz Houtermans, 1903-1966）根據伽莫夫的這個理論，預見了當兩個輕原子核中高速度下碰撞時，可能會形成一個更重的原子核，並且釋放出大量的能量。

1933年，英國科學家馬克．奧利芬特（Mark Oliphant, 1901-2000）發現用氫的同位素重氫和超重氫（拉塞福把它們稱為氘和氚）的原子核發生反應，可以獲得巨大的能量。二戰之前，伽莫夫和美籍匈牙利科學家愛德華．泰勒（Edward Teller, 1908-2003）推導出了進行核融合反應所必需的條件，即極高的溫度。

在人類製造出原子彈之前，根本無法達到核融合所必需的高溫，因此這項研究一直沒有進展。原子彈被研製出來後不久，泰勒就利用原子彈爆炸形成的高溫，實現了核融合。

1952年，第一顆氫彈試爆成功，其原理就是核融合。人們發現，氫彈釋放的能量是同樣質量的原子彈的幾十倍（由於氫彈可以做得比原子彈大，真正大氫彈的威力是後者的上百倍，甚至上千倍），但遺憾的是，氫彈裡的核融合反應是不可控的，釋放的能量無法利用。不過，人類從那個時候開始，就致力於可控核融合的研究。

核融合反應需要幾百萬度的高溫。在這樣的溫度下，沒有任何容器可以「盛」參加反應的物質，因此，人類一方面知道地球上最多的能量所在，另一方面卻無法利用。

我們都知道物質有三態：固態、液態和氣態。其實當物質的溫度高到一定程度後，就會處於電漿（等離子體）狀態，這時電子基本上和原子核分開，處於游離狀態的原子核就可以互相接近，開始核融合反應。於是科學家就想到產生出高溫的電漿，讓它們進行核融合。

至於怎麼才能盛得住這樣高溫的物質，英國物理學家、諾貝爾獎得主喬治．佩吉特．湯姆森（George Paget Thomson, 1892-1975）在1946年提出，利用自束效應（註）使電漿離開容器壁，並加熱到熱核反應所需溫度來實現可控核融合反應。再後來，著名物理學家塔姆（Igor Tamm, 1895-1971）和薩哈羅夫（Andrei Sakharov, 1921-1989）提出，在環形電漿中通以巨大電流，所產生的強大的極向磁場和環向磁場一起形成一個虛擬的容器，可以將電漿約束在磁場內部。

根據這個原理，物理學家發明了一種被稱為托卡馬（Tokamak）的可控核融合裝置。Tokamak一詞是俄文單字環形（тороидальная）、空腔（камера）、磁（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫，它最初是由蘇聯的阿齊莫維奇等人發明的。

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托卡馬克雖然可以產生能量，但是維持強大的磁場卻要大量消耗能量，因此從產生能量的效率來說，目前所有的托卡馬克裝置都是得不償失的。不過好消息是，產生能量和消耗能量的比值（被稱為Q值）在不斷上升，也就是說，科學家可以用更少的電能產生出更多的核能。

此外，在核融合反應中，產生的能量大約有五分之一可以利用，也就是說，Q值必須大於5，消耗的能量和獲得的能量才平衡。再考慮到熱能轉換成電能，電能再轉換成磁場的過程損失，國際上公認的能量收支平衡點Q必須達到10以上。而要使得核融合發電具有商業競爭力，則Q值需要達到30。因此，目前實驗階段的核融合和實用相去甚遠，樂觀估計還需要30到40年。