人类的终极能源

　　探索发现

　　文/曹天元

　　在众多的未来学预测、科幻小说以及电脑模拟游戏中，核聚变能的利用往往被视为人类最重要的“终极”科技之一。理由显而易见：它几乎是人类能源问题一劳永逸的解决方案。

　　现在，人类正在向这一终极能源大步挺进。随着今年11月21日，欧盟、美国、中国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方在巴黎正式签署协议，启动国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划，我们的社会有可能在未来发生翻天覆地的变化。

　　聚变能是核能的一种。一个重原子核会分裂成两个较轻的原子核，同时释放出能量，这叫做“裂变能”，典型的例子是原子弹。反过来，两个轻原子核也可以聚合成一个较重的原子核并释放能量，这才是“聚变能”，典型的例子是氢弹。

　　人类对于原子内部的认识始于上个世纪初，并且已经对核能进行了初步的利用。例如今天，核电厂为全世界提供约16%的电力。但是，这其中运用的都是裂变能，最常见的“燃料”是称为“铀”的重金属。平时我们说起“核能”，一般指的就是“裂变能”。

　　由于各种原因，在民众中对裂变能的利用存在着一种恐惧和排斥的态度，最常见的指责是安全上的隐患以及产生的核废料问题。虽然其实并没有证据显示核电厂比普通电厂造成了更多的危害(以平均每个发电单位来说，水电造成的事故死亡人数是核电的100倍，煤则是40倍，天然气是10倍)，但这种反弹构成了一种政治压力，使得许多欧洲国家放弃了裂变能的使用。而从未来资源的角度讲，地球上铀的储量和煤炭、石油一样，是相当有限的(“有用”的其实只是它的一种稀有同位素)，因此裂变能根本上并不能解决

能源问题的“百年大计”。

　　但聚变能则完全不同，它既清洁又安全，完全不产生温室气体和难以处理的核废料，从原理上讲，也不可能造成类似切尔诺贝利的灾难性事件。最关键的是，它的“燃料”几乎取之不尽用之不竭，最基本的是氢的两种同位素，称为氘和氚，它们大量地存在于海水之中。而每一公升海水中能够提取的“燃料”，大约能够提供260公升汽油燃烧产生的能量总和。简单的计算表明，按目前的需求量，单单地球的现有资源便至少可以满足人类6000万年的需求。假如我们能换用另一种稍复杂的核反应方式，这个数字更可以提高到1500亿年，远超宇宙的寿命！真可以说是千秋万代了。

　　事实上，聚变能可以说是宇宙中最基本的能量来源之一。我们的太阳之所以能够燃烧了约50亿年，靠的就是内部的核聚变反应。人类如能掌握聚变能，等于就是掌握了太阳和恒星那几乎永恒的能量。

　　不过，这样的蓝图虽然诱人至极，但要实现它却有着难以想象的困难。人类至今唯一人工取得的大规模聚变能是通过氢弹爆炸的方式，而要想使它能够为我们所用，比如说发电，则必须设计出控制其稳定输出的方法。两个轻原子核并不会无缘无故就聚合在一起，而必须在极端的高温和高压下，这时气体会产生电离，进入所谓“

等离子体”的状态。如何容纳这些极其高温的等离子体是一个大难题，人们一般用螺旋管形的磁场来禁锢它，这种设计称为“托卡马克”(tokamak)。在此基础上，好几个国家都展开了自己的可控核聚变研究试验，其中包括我国的EAST，它是目前世界上最为先进的核聚变反应装置之一。但是，距离终极的目标仍然还有漫长的道路要走。

　　如今的科学研究已经和100年前完全不同，由于科学技术发展到了如此复杂的地步，哪怕大部分基础研究也很难凭借个人的力量去独立完成，而必须采用团队合作的方式。伟大的科学工程与计划在人类的发展史上曾写下过不朽的篇章，曼哈顿计划、阿波罗计划等等都至今为人津津乐道。但到今天，一个项目往往需要耗费极大的人力、物力和财力，以至于凭借单独一个国家的力量都难以完成，必须采取国际合作的方式。我们耳熟能详的

国际空间站计划、人类基因组计划、欧州加速器计划和伽利略计划等等都是其中的典型。在核聚变研究上，世界各国也不得不联手攻关，国际热核计划(简称，ITER，这个字在拉丁语里同时有“道路”的意思)便应运而生了。

　　ITER只是我们最终征服聚变能道路上的一小步，它主要是一个实验性的计划，希望能建成一个以稳定的功率输出500秒以上的示范反应堆，并验证一些关键技术的可行性，为将来发展进一步的聚变反应堆作铺垫。尽管如此，完成它也至少要花30年的时间，耗费高达120亿美元———这是史上投资最为高昂的科学计划之一，仅次于国际太空站和曼哈顿计划(考虑到通胀因素的话)。虽然代价巨大，但如果成功，未来的收益却几乎是无限的。

　　一些媒体在报导时，说ITER又称为“人造太阳”计划，但实际上ITER并没有这个外号。如果有这个称呼的话，那也一般是指我国的EAST。再说这个外号也毫不准确，除了会引起许多望文生义的误解外，事实上，可控核聚变要比人造太阳难度大得多(要说“人造太阳”早就有了，氢弹就是)。除了要在高得多的温度下运作外，它等于是要人工控制“太阳”产生的所有能量以供利用，并且必须压缩在一个适当的空间内进行。

　　即便完成了ITER计划，我们离完全掌握聚变能的时代还差得远。一般预计，完整意义上的核聚变发电站可能不会在2050年之前出现，而真正要投入到商业运营中，则更不知要到什么时候。甚至这到底是不是一个可行的方案，我们也还没有100%的把握来最终断定。有批评认为，不应当把如此巨大的资源投入到一个遥不可及的课题上去，而应该优先发展另一些有立竿见影效果的可再生能源，如风能、太阳能等。《自然》杂志11月30号的一篇文章批评说，因为对聚变能前景过分乐观的信任，我们关于其它能源的研究都处在滞后的状况下。

　　另有一些科学家声称，核聚变甚至可能在室温的条件下发生！这引起了学界极大的争议，许多人认为这是虚假的，至今尚无定论。但如果这种情况真的可能发生，那我们无疑将在聚变技术领域内迈出飞跃性的一步，聚变能利用的实现之日将大大提前。

　　不管怎么样，也许核聚变技术的最终成熟并不是我们这一代人所能亲眼目睹的事情，但它无疑将对人类的未来产生极为重要的冲击。一旦我们能够拥有近乎无限的能源供应时，整个社会生活将会发生怎样的变化，这一定是一个非常有趣的话题。

　　(作者系香港大学科技学会会员)