人造太阳是人类的终极未来

黄大荣

全世界80亿人，无时无刻不在消耗能源。石化能源，终有用尽的一天。可以说，世界的不安宁，就因为在争夺能源。石化能源还威胁着地球生态，碳排放令地球气候变暖；而只要地球平均温度再升高3摄氏度，将导致冰川融化，引发淡水危机；世界最繁荣的沿海经济圈，也将不复存在。

人类不得不寻找新的能源。科学家首先想到的是太阳。太阳塑造了地球和地球万物生命，从地球来看，太阳就是我们的上帝。所以，科学家试图模拟太阳，制造“人造太阳”。核聚变产生能量的原理是爱因斯坦质能公式：E=mc2。质能方程可以解释为：在核反应中，生成的新物质的质量减小了，损失的质量转换成能量释放。太阳能释放能量，是因为它在发生核聚变链式反应：质子-质子链（PP链）反应。

第一个步骤是两个氢原子发生核聚变成为氘，一个质子经由释放出一个e+（正电子）和一个中微子成为中子：1H+1H→2H+e++νe。在这个阶段中，释放出的中微子带有0.42MeV的能量。

这个步骤进行得非常缓慢，因为它依赖的β正电子衰变，需要吸收能量，将一个质子转变成中子。事实上，这是整个反应的瓶颈，一个质子平均要等待109年才能融合成氘。一旦融合，正电子立刻就和电子湮灭，它们的质量转换成两个γ射线的光子被带走：e++ e-→2γ（它们的能量为1.02MeV）。在这之后，氘先和另一个氢原子融合成较轻的氦同位素3He：2H+1H→3He+γ（能量为5.49MeV）。然后，有三种可能的路径来形成氦的同位素4He。在pp1分支，氦-4由两个氦-3融合而成；在pp2和pp3分支，氦-3先和一个已经存在的氦-4融合成铍。在太阳内部，pp1最为频繁，占了86%；pp2占14%；pp3只有0.11%；还有一种是极端罕见的pp4分支。攻克可控核聚变，是地球的终极希望。为此，早在38年前，全世界的科学家就开始了合作。在任何情况下，这一合作也没有停止过。

主流方案，是托卡马克装置。这个装置的“点火”，就是让两个等离子状态的质子，发生核聚变反应。如果核聚变能在一亿摄氏度的苛刻条件下，维持1000秒，即16分钟，并且输出能量远大于输入能量，就被认为初步成功。

电解水H2O生成氢H2，通过核裂变产生的高能辐射蒸气压缩氢气H2，这时的氢气成为离子状态，辐射蒸气压缩H（质子），四个氢核聚变生成一个氦核，放出巨大的能量。核聚变一般在超高温和超高压封闭环境下进行，这个环境就是托卡马克装置。

一个氘核和氚核发生聚变反应会产生一个中子，并且释放17.6MeV的能量。中子对于人体和生物都非常危险。

聚变反应产生中子的麻烦之处在于，中子可以跟反应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后就必须更换，很费钱。而且换下来的墙壁可能有放射性，成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性，而且氚也可能跟墙壁反应。

氘氚聚变只能算第一代核聚变，优点是燃料便宜，缺点是有中子。

第二代聚变是氘和氦-3反应。这个反应本身不产生中子，但其中有氘，氘氘反应也会产生中子，不过总量非常非常少了。如果第一代电站必须远离闹市区，第二代估计可以直接放在市中心。

第三代聚变是让氦-3跟氦-3反应。这种聚变完全不会产生中子。这个反应堪称终极聚变。

乐观地估计，实现核聚变发电商用化，还需要30年。这个时间点，与库兹韦尔预言的人类进入人工智能的“奇点”，基本同步。2050年前后，人类将迈进科技新纪元。

人类的终极希望，是让孩子们将来不为能源枯竭发愁，能够永远幸福地生活下去，永远能看花开花落，日出日落，潮起潮伏，云卷云舒，永远享受太阳的普照。而人造太阳，能让他们拥有取之不尽用之不竭的、清洁、安全的能源，能把沙漠变绿洲，海水变淡水，让粮食丰产，AI算力大增，太空旅行成常态……

不过，需要警示人类的是，现在就要思考，如何避免“技术极权”奴役自己。

汪洋大海是地球人的宝贝。它含有的核聚变燃料氘，足够人类用100亿年。而地球的最高预期寿命还有50亿年。

（作者系本刊特约撰稿人）

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