人造太阳是人类的终极未来

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。