黄一展

美国能源部科学家12月13日宣布，在核融合（又称核聚变）技术方面取得重大突破，人类将有机会在不远的将来，使用取之不尽的洁净能源，能源部长格兰霍姆在记者会上表示，这是一个划时代的成果，并可以促使更多的研究与发现。

核融合到底是什么，这个被誉为“人造太阳”的东西究竟有什么神奇之处？其实人类早就掌握了这门技术，在1953年被当成武器做出的氢弹，就是首次在地球上进行的核融合反应，只不过反应过程太剧烈。如果要应用在一般的能源供应，重点是如何准确控制释放能量的过程，而不是透过爆炸。

所谓的核融合，与比较常听到的“核分裂”不同，后者就是大家习以为常又避之不及的核电厂，主要是利用中子撞击一颗较重的原子（例如铀元素），重原子就会分裂成两颗较轻的原子，过程中会释放出能量；而核融合的原理刚好反过来，是把两颗较轻的原子（例如氢）对撞后，强迫它们“黏”在一起，过程中一样会放出能量，且是核分裂的四倍之多。至于释放出能量的来源，两者皆是来自反应过程中因原子分裂或融合所减少的质量，也就是爱因斯坦著名的质能互换公式：E = mc2。

一点点的质量转变，所产生的能量是极其巨大的。以核电厂里面的铀-235分裂为例，1公克的铀-235完全发生裂变，减少的质量大约为0.09%，也就是0.9毫克，却可以释放810亿焦耳（J）的能量，太多单位名词太抽象吗？没关系，换算一下，若以平均每公斤的煤标准热值为7000大卡，1大卡约为4180焦耳，则仅仅1公克的铀-235就相当于燃烧了2.76公吨的标准煤（可提供2万2500度电），更别说能量释放率更大的核融合反应了。

至于要解释核融合，我们可以先稍稍科普一下高中物理化学对微观世界的描述：世界万物是由原子构成，它由带负电的电子、带正电的质子，以及不带电的中子所组成，质子与中子在核心，电子则在外围绕圈圈。而在量子力学的尺度下，除了电磁力之外，原子还会具备一种称为“核力”的力量（放到宏观的尺度，姑且比喻为星球之间的万有引力吧），能够对物质产生作用。

带相同电位的粒子彼此是会相斥的，所以要强迫两颗原子碰在一起，必须让“核力”大于相斥的电磁力才行。而最佳的原料，首推自然界与宇宙中存量最多的氢原子，如果能用极高的温度与压力，让氢或重氢（氢原子的同位素：氘、氚，但在自然界含量较少）碰撞在一起，原理其实就和太阳产生能量一样，就可以有源源不绝的能源，这也是为什么核融合又被誉为“人造太阳”。再说，比起现行核电厂的核分裂，核融合这种用氢来反应后的产物也相对“干净”。根据其反应公式：“氘＋氚→氦＋中子”来看，氦气本身不具危险，虽说释放出的中子可能会被其他物质吸收，从而导致该物质具备放射性，但也相对微量，跟铀-235相比，并不会对人体造成显著的伤害。再加上，即便氚也有放射性，但半衰期只有12年，即便发生泄洩漏，感觉也还是风险可控的灾难。

既然这么棒，为什么始终尚未全面商用化呢？原因就在要控制稳定的能量释放，实在太困难了。要知道，当年的氢弹试爆，也是先引发了核分裂，创造出足够高温的环境，才让核融合能够发生，并进一步产生连锁反应，放出巨大破坏性的能量。要控制这股力量以细水长流的方式释放，目前科学界有几种主流做法：分别是环磁机、国家点火设施、离子束融合、缈子融合与冷融合，而最近新闻上美国取得的进展，就是劳伦斯利佛摩国家实验室所尝试使用的国家点火设施。

关于其他几种控制核融合的方式，本文就不多赘述，推荐一本书给感兴趣的朋友，由美国物理学家理查德·穆勒所著的《给未来总统的能源课》（Energy for Future Presidents），书里详尽介绍了环磁机、离子束融合、缈子融合与冷融合等机会与挑战。至于国家点火设施到底点了什么火？那并不是真的“火”，而是把190多束超高能量的激光，全部冲向一个顶针头大小、内含氢同位素的容器中，借此创造出近1亿度的高温环境，让原子发生融合反应。

眼尖的读者可能会发现，聚焦激光也是相当耗能的，如果用N+1的能量投入，却只产生N的能量输出，那根本是在搞笑，所以上面的美国科学界才会大力宣传，他们这次的实验结果，在他们操作的核融合反应中，产生了3.15兆焦耳（MJ）的能量，大于其激光所用能量2.05兆焦耳，也首次达到所谓的“能量净增益”。不过，这个说法有点偷吃步，因为仅计算了使用激光的“直接耗能”，但没把驱动激光装置与整套系统的耗能算进去，如果纳入全部总体投入的能量，其实高达300多兆焦耳，能量转换率只有1%左右，离大规模商业化还有很大的努力空间。

这也是《给未来总统的能源课》一书中提过的一个笑话：核融合是未来的能源，且永远都会是未来的能源。当然，每次实验都会积累前人的经验与努力，而随着各国政府与民间加大投入，例如由35国政府集资约220亿美元的“国际热核实验反应炉”（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）等计划，相信在多几次“重大突破”之后，人类确实有机会掌握核融合技术，用于供应大多数人们所需的电力。

既然《巴黎气候协定》已定调净零碳排是永续发展的必要路径，降低石化燃料与二氧化碳，提升绿能占比自然是顺理成章的事。现阶段的太阳能、风能都有看天吃饭的局限性，而勉强被欧盟列为绿能的核能与天然气也都有明显缺陷，若核融合技术可以成为再生能源的主力，对于洁净电力的进展，绝对是大大加分。

作者是联合国资讯科技处顾问

每次实验都会积累前人的经验与努力，而随着各国政府与民间加大投入，例如由35国政府集资约220亿美元的“国际热核实验反应炉”等计划，相信在多几次“重大突破”之后，人类确实有机会掌握核融合技术，用于供应大多数人们所需的电力。