互动科普

花费40亿美元、耗时13年建造的、世界上最大也是能量最高的激光系统——美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）即将启动！在一两年内，NIF的192束激光会聚集在一个比胡椒粒还小的靶丸上。来自激光束的能量会击碎靶丸的核心，在如此的强大能量下，靶丸里的氢燃料会发生聚变并释放能量，如同一个微型氢弹。

此类技术以前进行过实验，并取得过成功。但在第一次尝试中，科学家为了成功实现氢同位素的聚变，泵入激光器的能量都必须远大于反应放出的能量才行。这一次实验不同，靶丸中心发生爆炸释放的能量将大于激光束注入的能量。理论上，多出来的能量可以收集起来用于发电。这种燃料的原材料可以在普通海水中找到，而且不会排放任何废气和核废料。这就像把一颗恒星装进地球上的机器里面，让它发光发热（发电）。它将满足人类对能源永无止境的渴求，直到永远。

世界其他地区也已开始建造核聚变装置，例如耗资140亿美元在法国南部卡达拉什附近建造的国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。ITER不依靠激光进行约束，而是利用超导磁线圈产生的磁场将氢的同位素约束在一起，并把它们加热到1.5亿摄氏度，比太阳表面温度还高出2.5万倍。科学家预期，这个实验获得的能量也将超过输入的能量。另外，跟激光系统间歇式的爆炸能量不同，磁场将能约束等离子体长达几百秒，产生持续的聚变能量。

自核时代开启以来，人们就热衷于驾驭恒星内部的核反应过程，让它们为我们所用。在这一进程中，NIF和ITER将成为里程碑式的事件。然而瞬间点火也许只是当中最简单的部分。在经验丰富的核聚变科学家中，越来越多的人认识到，建造和运行一个聚变核电装置将比在装置中成功点火困难得多。一些没有直接参与聚变研究的物理学家甚至怀疑这项技术在理论上是否可行。一个可以运行的反应堆将由能够连续几年抵挡数百万摄氏度高温的材料建成。它将不断受到高能核粒子的轰击，普通材料在这种情况下会变得易碎并带有放射性。这个反应堆还必须经过一个复杂的增殖过程，以产生自己所需的核燃料。如果要为电网提供有用的电能，它还必须稳定可靠，不能出现断电、跳闸和灾难性事故，并能够持续运行几十年。

“过去我们的想法一直是，‘好吧，这些问题非常困难，但是它们都可以解决，还是先把精力集中在聚变反应堆芯上吧’，”美国得克萨斯大学奥斯汀分校聚变研究所主任理查德·D·黑兹尔坦（Richard D. Hazeltine）说，“那样的想法也许是错的。”

大自然的允诺

从19世纪60年代起，核聚变（或者说对这种能源的未知）就成为科学家经常争论的话题。达尔文提出的自然选择进化论，必须经过至少数十亿年的渐进式变化，才能解释地球上难以置信的物种多样性。然而，据当时声名显赫的英国物理学家威廉·汤普森［William Thompson，也就是大家熟悉的开尔文男爵（Lord Kelvin）］所做的最权威估计，太阳的年龄最多不过几千万年。正如查尔斯·塞费（Charles Seife）在《瓶子里的太阳》（Sun in a Bottle，维京出版社，2008）一书中提到，达尔文认为汤普森的批评是所有针对进化论的批判意见中最为致命的一条。他无力地辩驳道，鉴于我们对宇宙规律的认识还很不完善，科学家对这一批评应暂时不予理会。

达尔文是正确的。还要再过大约70年，科学家才能发展出理解太阳发光原理所需的工具。到了20世纪30年代，科学家知道所有物质都由原子构成，这些原子都拥有一个由带正电的质子和中性的中子组成的原子核。（氢是唯一一个特例——它的原子核只有一个质子，没有中子。）爱因斯坦已经证明，通过E=mc2，质量可以转换成能量。光谱分析研究也表明，太阳并不像汤普森假设的那样由熔融的岩石构成，它的主要成分是氢，还有一些氦。

1938年，物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）意识到，太阳中心的压强必定非常巨大，足以克服通常情况下会让带有同种电荷的离子相互分享的排斥力，而把一个个氢原子核挤压在一起。贝特写出了氢离子聚变的4步链式反应。反应最终产物的质量略低于反应前各成分质量的总和，“消失”的这部分质量就被转换成能量（根据公式E=mc2）提供给太阳。

这个复合链式反应需要的压强只存在于恒星中心。用氢的两种同位素——氘（一个质子、一个中子）和氚（一个质子、两个中子）诱发核聚变的方法则相对简单。只要氘和氚的距离足够近，核聚变反应就会发生，生成氦（两个质子、两个中子）和一个中子，并释放出能量。与氢核聚变相比，这种方式的核聚变对温度和压强可以说几乎没有要求，但仍像其他聚变反应一样能够产生巨大的能量。

如果科学家能在可控条件下催化核聚变，世界能源危机将不复存在。核聚变的燃料非常丰富：氘可以从普通海水中提取，氚可以在反应堆中生成。跟普通的裂变反应堆不同，聚变不会产生长寿命放射性副产物——也就是人们俗称的核废料。在理论上，一加仑（约3.8升）重水能够产生的能量与一艘超级油轮载满的石油相当，而且只排放少量氦气。“你将得到一种随处可见、干净清洁且储量无限的能源燃料，”NIF项目主管爱德华·I·摩西（Edward I. Moses）说，“这简直美好得太不真实了。”

事实确实没那么简单。20世纪50年代初，美国普林斯顿大学教授莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）设计了“仿星器”（Stellarator，得名于恒星的拉丁文单词），这是聚变反应堆的第一种设计方案。根据斯皮策当时的估计，他的仿星器可以产生1.5亿瓦特的电力，足够15万户家庭使用。他的设计基于一个事实：在聚变所需的高温下，所有电子将会从自己所处的原子中剥离出来。这种形式的带电粒子“汤”被称为等离子体（plasma），能够用磁场约束。斯皮策的仿星器本质上就是一个可以约束等离子体的磁瓶，哪怕等离子体被加热到了几百万摄氏度的高温。

可惜，斯皮策和追随他的研究人员并没有全面了解等离子体的行为。他们很快就非常失望地发现，等离子体表现得一点儿也“不好”。

设想握住一个柔软的大气球，用力把它挤压到最小。不管你用的力有多么均匀，气球总是会从手指之间的缝隙鼓出来。同样的问题也适用于等离子体。每当科学家想把等离子体压缩到一个足够紧致的小球去诱导聚变，它们都会找到一丝缝隙从旁边喷射出来。这是所有类型的聚变反应堆都要面对的一个矛盾——等离子体温度越高、压缩越紧致，要控制它也就越困难。

在此后的60年里，科学家努力用越来越强大的磁瓶去驯服等离子体。每次物理学家提出一个改进装置去解决以前出现的问题，都会在更高的能量状态下遇到各式各样的新问题。美国阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室核聚变项目前主管、美国ITER技术咨询委员会现任主席查尔斯·贝克（Charles Baker）说：“无论你对它们做什么，等离子体总是会有一点不稳定。”

20世纪70年代能源危机发生时，通往核聚变的另一条平行的研究计划也诞生了，科学家希望这条新的途径能够避免磁约束等离子体中遇到的一些问题。这些技术用许多束激光去压缩和加热一个由氘和氚构成的靶丸。这项研究在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，美国聚变核武器研发计划总部）展开，一开始使用的只是一个能够发出两束激光的简单试验台。激光功率的提升使试验设备不断升级，1977年启用“湿婆”（Shiva，印度教中掌管创造和毁灭的神），1984年又启用了“新星”（Nova）激光器。每次新激光器的使用都打破了利弗莫尔实验室自己保持的、激光核聚变最强大爆炸的世界纪录，但是跟磁约束方法一样，他们仍然没能达到“收支”平衡，即聚变释放能量等于激光输入能量。要想做到这一点，利弗莫尔实验室需要一种新激光器，激光功率要在过去的基础上再提高70倍。到了1997年，新激光器开始建造，这就是美国国家点火装置NIF。

微型爆炸

从外观来看，NIF非常不起眼。它没有窗户，大小和停机库差不多，喷涂有防噪音的米黄色材料，看上去和市郊的办公园区很和谐。但是跟其他大型科学工程［你第一个想到的肯定是大型强子对撞机（LHC）］一样，它的地下部分令人惊叹不已。在内部，数十米宽的管道从远处连接到这里。这些管道连接着靶室，那是一个三层楼高的球形室，四面都布有窗口让激光束通过。在靶室中心，由氘氚构成的靶丸被放在一个看起来像铅笔头的巨大支架上。激光束会聚焦在毫米级靶点上，用一个强劲的激光脉冲挤压靶丸——至少在极短的时间内，该激光脉冲的功率会超过整个美国的电力消耗。

虽然NIF是为了达到核聚变“收支”平衡而设计的，但它的主要任务关系到国家安全。1996年，时任美国总统比尔·克林顿（Bill Clinton）签署了《全面禁止核试验条约》，并取缔了美国所有核武器试验。为了保证库存核武器仍然能够按计划运行（也就是说，如果总统下令发射，每一枚核弹头都必须能够爆炸），洛斯阿拉莫斯和利弗莫尔的美国国家核武器实验室制定了库存管理计划，以确保库存的5,200枚核弹头的可靠性。

大部分核武器的维护只是例行检查和零部件更换。另一个关键部分是计算机模拟核爆炸。这种电脑模型对初始条件特别敏感，而NIF就是设计用来诱导微型氘氚爆炸，从而给电脑模拟提供数据的。（NIF还将用于进行纯科学实验，首批实验中有一个涉及超新星激流方面的研究。）

然而，当这个装置终于在2009年5月建成时，它在核聚变发电方面的潜能却引起了最热烈的炒作。托马斯·弗里德曼 （Thomas Friedman）在《纽约时报》上刊登的一篇题为《下一个超酷事件》（The Next Really Cool Thing）的专栏文章，就是一个典型的例子。他在这篇文章中写道：“每颗聚爆靶丸都会突然释放出一阵能量，可以用来加热液态盐，产生大量蒸汽以驱动涡轮，为你的家庭提供电力——就像如今用煤来发电一样。”

理论上来说，这也没错。但是，NIF从来就没有打算会成为一个可以不断产生可用能量的机器。根据目前的运行计划，NIF将在今年晚些时候开始氘氚聚变实验，如果进展顺利，还要再过大约一年，才能达到核聚变的“收支”平衡。需要提醒你注意的是，这里的“收支”平衡并不是指发电站的那种“收支”平衡，摩西解释说。这种平衡只不过是靶丸释放的能量超过了激光系统输入的能量（即用于产生420万焦耳激光的净能量，射向靶丸途中损失的能量已经被扣除在外了）。即使如此，它达到这一里程碑的时间也将比ITER领先至少15年。

反应堆的阻碍

无论你用什么方法来启动核聚变，上兆焦耳的激光器也好，磁场约束等离子体也好，反应产生的能量都将以中子流的形式释放出来。这些粒子是电中性的，因此不会受电磁场影响。此外，它们还可以径直穿过最坚固的材料。

唯一能让中子停下来的方法，就是让中子直接撞击原子核。然而，这种碰撞往往是毁灭性的。氘氚聚变反应释放的中子能量巨大，可以挤掉钢铁等通常比较坚固的物质中原子的位置。随着时间推移，这些猛烈撞击会逐渐削弱反应堆，使结构部件变得脆弱。

另外一些时候，中子会把良性材料变成放射性物质。一个中子击中原子核时，原子核可以吸收中子，变得不稳定。贝克说，一个稳定的中子流会使任何普通容器带上危险的放射性，哪怕这些中子来自于像核聚变一样“清洁”的反应。他还说：“如果有人向你兜售任何核系统，而且声称完全没有放射性，那你一定得捂紧钱包，可别上当受骗。”

核聚变发电站还必须将中子能量转换为驱动涡轮机的热能。在未来反应堆的设计方案中，这一转换将在聚变反应堆芯周围的所谓“包层”（blanket）中完成。尽管某一特定中子轰击包层中单个原子核的可能性非常小，但只要材料合适而且包层够厚，比如说几米厚的钢板，就能够捕获几乎所有试图穿透的中子。这些碰撞使包层温度升高，产生的热量被熔盐（molten salt）之类的液体冷却剂带出反应堆。然后，灼热的熔盐煮沸开水，生成蒸汽驱动涡轮机并产生电能，就跟别的发电机一样。

只是，事情并没有如此简单。包层还肩负着另一项任务，该任务对反应堆最终取得成功至为关键，其重要性不亚于能量提取。这项任务就是：包层必须制造出最终会回到反应堆中的燃料。

尽管氘很廉价并储量丰富，氚却非常稀少，必须从核反应中提取。一座常规核电站一年能生产2~3千克氚，每千克成本估计在8,000万到1.2亿美元之间。不幸的是，磁约束核聚变电站每周都要消耗大约1千克氚。“聚变对氚的需求量远远超过了裂变的生产能力，”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校聚变科学与技术中心主任穆罕默德·阿卜杜（Mohamed Abdou）说。

若要聚变电站能够产生自身所需的氚，就必须借用一些原本用来发电的中子。在包层内部，柔软并且高度活跃的金属锂组成的通道能捕捉高能中子并生成氦和氚。这些氚会沿着通道向外逃逸，被反应堆捕获，进而被重新注入等离子体。

然而，如果你仔细分析“账目细则”的话，就会发现“账面”无法做到平衡。每次聚变反应都要消耗一个氚离子，同时释放一个中子。所以反应堆中产生的每个中子都必须生成至少一个氚离子，否则反应堆消耗的氚就会多于产生的氚，氚的数量就会短缺。只有引入复杂的级联反应，科学家才有可能消除这一障碍。首先，一个中子轰击锂7同位素，这一过程虽然要消耗能量，但能同时产生一个氚离子和一个中子。然后，这个新产生的中子继续轰击锂6同位素，再产生一个氚离子。

此外，所有这些氚都必须以接近100%的效率收集并重新引入等离子体。“在这个链式反应中，你连一个中子都不能浪费，否则反应就会中止，”瑞士联邦理工学院苏黎世分校的粒子物理学家迈克尔·迪特马尔（Michael Dittmar）说，在建造一个大型核反应堆前，“我们要做的第一件事，就是证明氚的生产是可行的。很明显，这完全不可能。”

“这种聚变包层极具想象力，”黑兹尔坦说，“它要容纳大量的热，处理这些热量，自身又不能过热。它要吸收中子，要由非常前沿的材料制成，以便在面对那些中子时也有较长的生命周期。它还要利用这些中子将锂转换成氚。”

可惜的是，ITER不会去验证那些包层设计。正因为如此，许多物理学家，特别是那些在ITER的设计、建造、运行中没能占据主导的美国物理学家认为，需要一个独立的装置来设计和建设包层。“你必须证明你能在一个实用装置中实现这些，”阿卜杜说，“而我们从来没有建造或测试过包层，从来没有。”即使这样的测试装置明天就能得到资金，阿卜杜估计，大概还需要30~75年的时间来研究这些问题，才能理解得足够透彻，开始建造可以运行的核聚变电站。“我相信这是可行的，”他说，“但这是一项耗资巨大的工程。”

巨大的谎言

我们不妨假设，到2050年，一切都已准备就绪。NIF和ITER大获成功，按预定时间在规定预算内成功实现了预期的净能量增加目标值。物理学家在给每个系统提高能量的过程中，大自然也没有再设置什么意外，一向不受拘束的等离子体也如预期般被乖乖驯服。一个独立材料研究机构也已经演示了一个既能产生氚、又能将中子转换成电能的包层应该如何建造，而且它也能够承受在核聚变电站中日常使用给原子内部带来的巨大压力。再假设，建造一座可运行聚变电站的预计成本只需100亿美元。这还会是一个划算的选择吗？

即使对于那些花了毕生精力去追求核聚变能源之梦的研究人员来说，这也是个难以回答的问题。问题在于，跟普通的裂变电站一样，聚变电站也要生产基荷电力。也就是说，为了收回高昂的初始成本，这些核电站必须一直不停地运行。“对于任何一个前期投资巨大的系统，你总会想让它24小时不停地运行，而且你后期的燃料成本很低，”贝克说。

不幸的是，要让等离子体在任何可观时间段内保持状态都非常困难。到目前为止，反应堆能维持聚变等离子体的时间都不超过一秒。ITER的目标是让等离子体燃烧维持数十秒。距离让它24小时不停运行，还有很长的路要走。“聚变装置必须有90%的有效运行时间，”贝克说，这一数字包括了日常维护所需的停机时间。“这是规划经济可靠的聚变系统时目前面临的最大的不确定性”。

NIF项目主管摩西认为自己已经有了答案。他提出了一个聚变－裂变混合反应堆的设计方案，该反应堆从激光驱动的聚变反应中获取中子，再利用这些中子驱动包层中的常规核废料发生裂变反应。他称这个系统为激光惯性聚变引擎（laser inertial fusion engine，LIFE），并预言他可以在20年内建造一台，实现并网发电。

LIFE系统基于这样一个事实，普通核电站里的铀原料在被提取出来并长期封存之前，只有5%得到了有效利用。LIFE利用中子来轰击这些核废原料，从而加快它衰变成更轻、辐射更小的元素，所有这些过程都会释放出热能，可以用来发电。“我们的研究表明，我们可以和目前所有获取能源的方式相竞争，”摩西说，“甚至比那些方式更便宜。”

当然，LIFE也不是没有陷阱。“你想从每个计划里都挑出夸大其词之处，”加利福尼亚大学伯克利分校的聚变工程学教授爱德华·C·莫尔斯（Edward C. Morse）说，“在（激光）核聚变当中，夸大其词之处就是——我们可以把这些靶丸的成本降到5美分一粒。”这种由氘氚材料组成的胡椒粒大小的颗粒必须精密加工到完美球形，确保它们可以从各个方向上均匀压缩。颗粒上有任何凸点，靶丸就不会爆炸，这使得现在的耙丸替换异常昂贵。尽管计划自己制造靶丸的利弗莫尔实验室并没有公布预期价格，不过美国罗彻斯特大学的激光能量实验室也在制造类似的氘氚靶丸。“现实情况是，罗彻斯特大学实验室每年为制造靶丸耗资数百万美元，他们一年能制造大约6个靶丸，”莫尔斯说，“所以你可以说，那些靶丸一粒就值100万美元。”

和NIF的链式反应几个小时才消耗掉一个靶丸不同，LIFE的靶丸在靶室中循环的速度就像机关枪子弹。“这是一把每分钟600转的机关枪，”莫尔斯说，“就像一台有着上百万匹马力的汽车引擎，唯一不同的是它没有任何碳排放。”一个24小时连续发电的LIFE装置每天将消耗9万个靶丸。

当然，我们无法预测20年后的全球能源形势。也许对聚变能的需求将前所未有的强烈。又或者，由于太阳能、风能或其他目前未知的替代能源取得突破性进展，聚变能源显得更加昂贵且难以使用。“也许人们会说，‘哦！成功了，真棒，但我们不再需要它了，因为我们有了许多其他更好的东西，’”黑兹尔坦说。

我们过去一直片面地看待聚变。它不同于肮脏的化石燃料和危险的铀。它那么纯净和美好，可以一劳永逸地解决我们对能源的需求。它是人类有可能获得的宇宙中最接近完美的东西。

现在这些想法正在改变。聚变只是一种可以选择的能源，还需要经过几十年的研究才能产生成果。点火装置或许即将实现，但无限能源时代并未到来。