核反应

在我上高中的时候，就发现了化学课本上一件奇怪的事。课本说质子的质量是1.0073个原子质量单位（atomic mass unit，缩写为amu，等于1.6605 × 10^-27 kg），中子的质量是1.0087 amu。然而原子质量单位的定义是碳12原子质量的1/12，也就是说碳12原子的质量就是12 amu。那么问题来了，碳12原子中有6个质子、6个中子，它们的质量加起来就已经超过12 amu。这还没算12个电子呢。质量怎么不守恒了？

现在我们明白，不守恒就对了。6个质子和6个中子放在一起质量减小，是因为它们（统称核子）结合成原子核时放出了大量的能量。这个能量远远大于平时见到的化学能，所以质量的变化（往往称为质量亏损）十分可观。推而广之，其它各种原子核的质量都不等于组成它的质子与中子的质量之和，质量亏损有的多有的少，取决于核子结合的强弱。

既然不同原子核中核子结合的强弱不同，那么就有可能让结合弱的原子核中的核子重新整合成结合强的原子核，放出大量的能量。这就好比化学反应，分子中原子的结合有强有弱，让结合弱的分子（如炸药分子和氧气分子）重组成为结合强的分子，就会放出化学能。原子核的重新组合，称为核反应。核反应可以是大的原子核分裂成几个小的原子核，称为裂变，也可以是几个小的原子核合并成大的原子核，称为聚变。化学能跟核裂变、核聚变的能量都对应质量的变化，只是化学反应的质量变化远远小于核反应的质量变化，所以很少用质量变化来描述化学反应，而在描述核反应时质量变化就是最常用的说法。

1千克铀238核裂变能产生的能量相当于2500吨煤。核聚变就更不得了，每一升水中约含有30毫克氘（氢的同位素，占氢的1/7000，也称重氢，原子核包括一个质子和一个中子，而普通的氢原子核就是一个质子），通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。地球上仅海水中就含有45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年。还有人提出到月球上去采集核燃料。

发现了如此强大的能源，人类从此过上了幸福的生活……啊不，质能方程给我们的只是一个潜在的可能性，真要实现核反应，需要的工作可就多了。无数的科学家和工程师从此过上了疲于奔命的生活。

恒星的孩子

古往今来，对太阳的崇拜遍及许多宗教和无数人，但谁也不知道太阳发光发热的根源是什么。直到1938年，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Albrecht Bethe，1967年诺贝尔物理学奖得主，1906 - 2005，享年99岁的超级硬朗老爷子）才发现太阳的能量来自于核聚变。《费曼物理学讲义》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生说：“天上的星星好美呀！”贝特说：“是的，然而现在我是世上唯一知道它们为什么闪烁的人。”女生笑笑，没说话。科学家的浪漫，真是令人忧伤的故事……

汉斯·贝特

在一般的条件下，核聚变是不会发生的。但在太阳中心，1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下，氢就可以聚变成氦了。这样的反应已经进行了46亿年，向外发出了巨大的能量。其中很微小的一部分落到地球上，就滋养了地球丰富的生态圈和整个人类。大自然的安排多么不可思议！

再过50亿年，太阳将变成红巨星，氦开始聚变生成碳。到那时，太阳的体积会剧增，把地球吞噬掉（是的，不从地球移民出去，人类的命运就是被太阳吞噬）。在后面的演化阶段，碳还会聚变成更重的原子核。但是要注意，核子结合最紧密的原子核是铁，也就是说，放出能量的核反应，到铁这里就结束了，再聚合就只能吸收能量了。在恒星演化的最后阶段，有可能吸收能量生成铁之后的元素，这是宇宙中产生这些重元素的唯一途径。也就是说，地球上的重元素必然是上一轮恒星演化的产物——我们都是恒星的孩子！

核聚变的途径

在太阳中心，氢可以在1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下聚变成氦。而在地球上没有那么高的压强，要发生聚变，温度就只好更高，达到上亿度。有什么办法能达到这么苛刻的条件呢？

核裂变笑了：不要以为有了核聚变我就没用了，要达到核聚变的条件，还得看我！是的，原子弹是目前唯一可用的实现如此高温的方法。所以氢弹都是用原子弹引爆的，先用裂变达到聚变条件，再通过聚变放出更大的能量。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。

中国第一颗氢弹爆炸

人类用氢弹已经用得很溜了，《三体》里都能用它在水星上炸很多大坑，最后拯救人类。但是氢弹是不可控的聚变反应，你总不能用氢弹来发电吧？所以真正的挑战是和平的、可控的利用核聚变，俗称“人造太阳”。

可控核聚变的难点，在于两个问题。一，如何将聚变材料加热到这么高的温度？二，用什么容器来装温度这么高的聚变材料？把核聚变反应堆看成一个火炉，第一个问题就相当于“怎么点火”，第二个问题相当于“怎么保证不把炉子烧穿”。

对第一个问题的回答，惯性约束激光点火是一条思路。把聚变燃料放在一个弹丸内部，用超强激光照射弹丸，瞬间达到高温，弹丸外壁蒸发掉，并把核燃料向内挤压。美国的“国家点火装置”和中国的“神光三号”等实验装置，走的就是这条路。

对第二个问题的回答，磁约束是一条思路。把聚变燃料做成等离子体（原子核和电子分离，都可以自由流动），用超强磁场约束等离子体，让它们悬空高速旋转，不跟容器直接接触。EAST等托卡马克装置，走的就是这条路。

一大麻烦在于，这两条路是互相矛盾的。聚变燃料如果处于静止，就很难不把容器烧穿；而如果处于运动中，聚焦点火又变得困难。这就是可控核聚变难度如此之大的原因。

顺便说一句，有一个提法叫做“冷聚变”，号称在某种实验条件下，常温常压就能实现核聚变。冷聚变不时地吸引一群人过去研究一通，但从来没有得到过确定的结果。我对它的看法跟大多数人一样：大半是忽悠。不过还是持开放的态度吧。

2015年4月，中国科学技术大学建成国际最先进的反场箍缩磁约束聚变实验装置“科大一环”（KTX）。中、美、俄目前各有16、28、5个核聚变装置，这玩意烧的就是钱，靠的就是大国雄心。

可控核聚变什么时候能实现？有个笑话是“永远还需25年”。有人估计是2050年。不过这些全都是猜测，由于难度太大，无论任何时候能搞出来都是好的。我们在目前能做的，就是多试验，多投入。在条件允许的范围内，只问耕耘，不问收获。即使是失败的探索，也会获得经验教训，对将来是有益的。