爱华网文 / 李杰信 现任美国航天总署(NASA)总部资深技术顾问兼太空任务科学家
人类过去百年对能源恣意使用，排泄过量废气，对环境造成严重污染，并在南极洲上空凿了个大洞。失去臭氧层的保护，紫外线长驱直入，再加温室气体效应，造成地球加速变暖，生态恶化，已达危机边缘。
人类知过就改，开始积极开发绿色再生能源，如从玉米中提炼酒精，使用风力和太阳能电池发电等，不无小补。但这些能源，对人类未来能量的饥渴，有如杯水车薪，不能满足长期的需求。
其实，人类在1952年引爆第一颗氢弹后，知识库里就藏着一个宇宙终极的绿色能源：核聚能（nuclear fusion energy）。核聚能是核能（原子能）的一种释放形式，核能的另一种释放形式是核裂能。氢弹利用的是核聚能，原子弹利用核裂能。核裂能由重元素分裂中获得能量，产生的放射性废料半衰期逾数百年。而核聚能由重氢氘(音同“刀”)（deuterium，D）和超重氢氚（音同“川”）（tritium，T）聚合成氦而来，既使燃料意外外漏，氘氚碰到反应器墙壁或被渗进杂质，温度就会急骤下降，核聚变反应即刻停止，无类似目前核电厂失控危险。另超重氢氚的半衰期仅为12.3年，自然界容易化解，况且氚比空气轻，飘逸到大气上层，淡化后几乎不留痕迹，对地球生态环境影响甚微。还有，在反应器中的氘氚量甚低，仅够数小时使用，不会像核裂能反应堆，燃料量够数年消耗，一旦发生意外，核裂变反应仍顽固进行，无法紧急叫停。
核聚能开发不易，人类已追求了近60年，尚无成效可言，未来还要再继续努力50年，才可能会有收获。人性本短视，面对着世界瞬息即变的经济和政治因素，眼前的事已忙不过来，视野能伸延出去半世纪吗？
但要想取得这块宇宙终极瑰宝，人类恐怕得要付出一个对等的代价，筹组一个破天荒的科研计划，竟百年之功，换取人类物种千秋万代取之不尽、用之不绝的绿色能源，最终目的就是要把太阳绿色核聚能装到“瓶子”里送到每个消费者家里。
人类肯做出这么遥远巨大的科研投资吗？
太阳的故事
1859年，达尔文发表《物种起源》，阐明地球生物皆经演化而来，在深沉的时间轴上，慢条斯理，改造自身结构，适应自然环境变化，体貌变化绵延，求生不息。
达尔文物种演化所需时间动辄数亿年。在19世纪，伴随着工业起飞，开山挖洞，地质学突飞猛进。专家注意到，英国南方有个山谷，需要3亿年才能侵蚀成形，足够达尔文物种演化所需时间。但当代几位最有权威的物理学家，包括执学术界牛耳在内的开尔文（William Thomson Kevin，1824-1907），不以为然，提出疑问：地球真的那么老吗？
物理学家提出合理命题：因为太阳系先有太阳，后有地球，所以地球的年龄，不可能超过太阳的年龄。
19世纪中下旬，对太阳能源的理解，来自牛顿力学中位能转换成动能的概念：太阳本来很大，最外层的物质地势高，位能大，材料逐渐被烧掉后，太阳变小了，外层的物质向太阳中心坠落，位能变成动能，动能撞到太阳表面生热。这份热变成阳光，普照太阳系，给地球生物带来生命起源和演化的原始能量。
计算太阳在重力场中位能动能的转换，是目前大一微积分的功课，过程需要层层积分。但即使计算到太阳以蜡炬成灰泪始干收场，也就是所有质量掉到太阳核心，太阳把燃料全都烧光，位能用尽，也只能供应日光能18,220,650年，略少于2千万年。结论：地球年龄不能大于2千万年。
这个由学霸开尔文推论出来的权威结果给达尔文带来了困惑：地球真的这么年轻啊？我的演化论错了吗？达尔文在1882年过世时，这个疑虑都没有得到纾解。
人类在1896年侦测到原子核放射现象。1905年爱因斯坦发表特殊相对论，证明物质通过E=mc2公式，转换成能量。1920年阿斯顿（Francis William Aston, 1877-1945）量出4个氢核子比一个氦核子重出千分之七，即0.7%（图1）。
氢核子拥有一个质子，氦核子质子中子各2。由4个氢核子聚合成一个氦核子的步骤有些复杂，一直到1938年才由贝特（Hans Albrecht Bethe，1906-2005）敲定，总的结论是，如果太阳千分之七的质量完全以爱因斯坦E=mc2公式转换成能量，太阳以今天的热度至少还能烧上1,000亿年！
在20世纪初，人类经由天外飞来的陨石中放射性元素半衰期测量，证实太阳的年龄为46亿年，地球也略等。
其实太阳并无法把千分之七的质量完全转成能量，烧上1,000亿年。太阳的寿命其实只有100亿年，现已燃烧了46亿年，刚走到生命的一半，正值青春鼎盛日正当中的金色年华。
开尔文，您错了！达尔文，您的物种有足够的时间演化，安心吧！
氢聚合成氦在太阳核心部位进行，要经过好几道繁琐的步骤，才能把0.7%的物质能量释放出来，经年累月，造成太阳核心温度高达1,600万度（本文皆用绝对温度K – 水的冰点为273K）。从太阳核心到表面，温度降到约5,580度。在这个高温范围内，所有原子离子化，太阳基本上是一个巨大的电浆（plasma）球，携带核聚能量的光子，从核心出发，在电浆中左碰右撞，寸步难行（图2），要走上数10万甚至上百万年，才能逃到太阳表面，终能以电磁波和光线射出，抵达地球，供养万物。
我们今天在海滩晒到的阳光，竟是至少数10万年前太阳核心核聚变来的能量，真的得之不易。
太阳经核聚变转换能量时，也同步在核心产生大量微中子，视电浆如无物，瞬息即以光速飞离太阳，以每秒50万亿粒的数量，通过你我躯体，霎间穿透地球，扬长而去。微中子的能量极微，又属“热”黑暗物质类粒子，无法用来发电，但它给人类提供了难得的太阳核心讯息，居功至伟。
目前太阳成份为73.46%氢，24.85%氦，和其它1.69%重元素如氧碳铁硫等组成。太阳还能平稳燃烧50亿年。50亿年后，太阳核心氢氦核聚能耗尽，温度下降，开始收缩挤压，温度又回升到足以引发下一步氦碳核聚变反应，迅速释放大量的热，膨胀成红巨星，吞噬地球甚或火星后，又开始冷却，最后以白矮星谢幕收场，在酷冷的宇宙中漫游，永不休止。
太阳还算幸运，不会像超新星一样自爆成碎片，终能保住一个全尸。
挤呀挤
仔细研究太阳核聚变过程，人类学到氢聚合成氦的原理。氢核子为带正电的质子，硬要把两个质子凑在一起，首先要克服它们之间相斥的巨大库仑电力。在日常生活中，这个库仑电力无所不在：支撑你坐在椅子上的躯体，垫着你写信的纸，保证你每步都踏得到的坚实土地。要冲破这层库仑电力的保护屏障，至少要把两粒质子拉到肌肤相亲的距离，也就是大约0.000000000000001即10-15米。这个距离和质子的大小同级数。在这个距离下，库仑电力臣服于强核子力。
换言之，我们想要把4个氢核子聚合成1个氦核子，首先得用极高压把数个氢核子挤在一起。但通常高压难求，高温较易，尤其对带电粒子，人类的工具箱里有好多办法对其加温，像用磁场挤压和微波加热等技术。在足够的高温下，众原子失去外层电子，变成电浆，电浆中粒子速度增高，动能变大，两个粒子高速正面对撞，说不定就能达到所需距离。
即使温度够高，撞在一起距离够近，还是不行。两个粒子在接近零距离接触，还要看它们能亲热多久。时间太短，聚合不到一起。物理学家找到了两个最容易聚合的核子，氘和氚，用理论计算一下它们聚合的基本条件，发现至少要把氘和氚加温到使它们撞到一起时的密度达到每cc有100,000,000,000,000（即1014）颗粒子，还要在这个情况下，至少得粘在一起1秒钟。如果温度低些，撞到一起时的密度低了100倍，那它们在一起的时间就要相对增加100倍，以维持这个每cc 1014秒的数值不变。这个数值就叫劳森氘-氚核聚变条件（Lawson D-T Fusion Criterion）。
现在我们来检验一下太阳核心劳森核聚变条件数值。太阳核心温度1,600万度，不算高，密度则为水的150倍。粗略计算，太阳核心每cc至少含1024颗以上氢核子数目，根据一切观测，太阳能长期维持这个密度。即使太阳仅维持这个密度1秒钟，它的核心每cc已达1024秒级数，远远超过劳森核聚变引发条件上100亿倍。太阳家底雄厚，核聚能工厂轻松燃烧，丝毫没有熄火危险。人工核聚变所使用的温度比太阳核心温度常高出数倍，所以有人建议，劳森核聚变引发条件还应加上第三个温度参数，才可能更接近实况。
劳森核聚能引发条件只能提供一个粗略参考数值。用人工制造太阳，至少要达到这个密度和亲热时间再加上足够温度三项相乘数值（the triple product），才有希望引发核聚变反应。在劳森条件实际运用上，常以一个“核聚能获利指数”Q（fusion energy gain factor）来估计一个核聚能发电厂能否产生净余能量：Q小于1表示核聚变输出能量比操作核聚变设备所需的能量低，出不敷入，净余能量为负；Q大于1表示核聚变输出能量比操作核聚变设备所需的能量大，净余能量为正。有用的核聚能发电厂至少Q要比1大，才有富裕的能量输出，而实际核聚能发电厂Q的数值则要数十或上百，才有商业价值。
燃料
原子能从分裂或聚合中取得能量，分水岭是铁。比铁重的原子，如铀和钸等，分裂生能。比铁轻的原子，如氢氦碳氧硅等，聚合生能。
分裂重原子较易，拿热中子机枪扫射将其打碎就成。聚合轻原子困难，得寻找最容易的核子进行。
氘（2H）为重氢，质子中子各一，氚（3H）为超重氢3，拥有1质子2中子。5个粒子凑在一起，仅需克服2个质子间的库仑排斥电力。反观以4个氢核子聚合，先要克服4个质子间的排斥力，和氘氚系统比较，显然难度大增。所以，前文提到的氘氚核子聚合，是最佳候选燃料（图3）。
氘和氚核子聚合燃烧后，产生的灰烬是氦4（4He），加上一个热中子，同时释放出17.6百万电子伏特（MeV）能量，为同等原子数碳燃烧所得能量的4百万倍。氘氚聚合共有五颗粒子，而碳有6质子6中子共12颗粒子，碳比氘氚系统略重近2.4倍，所以每公斤氘氚燃料产生的热能，大约等于一千万公斤或一万吨煤的能量。
热中子是未来核聚能发电厂主要能量来源，它经能量转换，可使水变蒸汽，推动发电机。热中子和氦核子释放的能量以电子伏特计算。1电子伏特是一个电子在电场中失去1伏特电位所获的动能，和苹果在重力场中坠落得到动能道理相同。电子伏特是由物理学家弄出来的古怪单位，通常不如日常生活中食物的能量大卡和电表上的千瓦时度数易懂，读者在此约略知道它们都是能量单位就成。
地球海洋水中每6,500个氢原子中，就有一个重氢原子氘，所以氘的供应量几近无限。但氚的半衰期仅为12.3年，容易消失，在地球上存量不多，需特别制造，一般以氘氚核聚变产生的热中子和锂（Li）直接反应即可获得丰富氚的资源。所以，氘氚核聚变产生的热中子，一面供应核聚能发电机热能，同时也生产自身所需的氚燃料，一举两得，非常合算。
因氚还要费劲制造，近年有人建议从月球土壤中提炼氦3（Helium 3，3He）替代。氘可以和氦3聚合释能，但这个核聚变反应牵涉到3个带电粒子，所需克服库仑排斥的力量比氘氚聚合大了很多，较难实现。人类的确很快就要重访月球，月球土壤中沉积了太阳风几十亿年带过去的氦3，总蕴藏量上百万吨，不能算少，但在遥远的月球盖工厂提炼氦3，还是大手笔。专家们热闹讨论无妨，要纳税人买单可能相当困难。
磁瓶
第一颗氢弹爆炸后，人类就梦寐以求地想控制氢弹能量，让它慢慢释放，以供千秋万代使用。
在1950年代，美、英和前苏联的核聚能研究，都是在“极机密”实验室中进行。1955年，联合国决定解密国际核聚能研究，给在冷战中酣战的愚钝人类，带来了一线智慧重现的曙光。
控制氢弹能量显然不是件容易解决的科技问题。人类已用大动作投资了60多年，目前核聚能发电厂还是在纸上谈兵阶段，能达到最大的Q才0.7，离能量进出“够本”还有段距离，更谈不上商业发电。
先谈谈这Q=0.7是怎么来的。
要达到核聚变反应条件，一定得把核聚变燃料如氘和氚紧压在一起一段时间。用传统方式加压固可增加燃料密度万倍，但还不够。原因是压力容器一定拥有墙壁，墙壁不但把辛苦加压得来的高温热量传走，并还会向燃料注入从墙壁中剥落出来的杂质，增加核聚变反应困难。
其实专家很快就发现，要挤压核聚变燃料，必得以无容器(containerless)技术进行。
核聚变反应使用的无容器技术略分两类：惯性约束(inertial confinement)和磁约束(magnetic confinement)。
先略谈惯性约束技术。
核聚变燃料如各50%氘和氚混合液体，在惯性约束技术中，先被装进一个极微小的超薄超圆的重玻璃容器中。充满燃料的微球，在精确的亿分之一秒内，被从四面八方数十道极为对称的绝高功率的激光光束闪击，瞬间温度和密度急速上升，期望能达到劳森核聚变引发条件。美国在这项研究上已追逐了40余年，每年投入上亿美元经费，建造好几个巨大的多束激光设备，仍无功而退。目前这类研究专攻核子武器改良工作，对未来核聚能源贡献不大，本文不再多加描述。
第二类的磁约束，是核聚能主流研究方向。核聚能初始燃料，经磁场加热后，一般皆以离子电浆状态存在。各类磁场可与电浆互动，不但能使电浆在无容器状况下悬浮在“磁瓶”空间，并可对其挤压加热，产生高温高动能氘和氚粒子，相互高速碰撞，以期达到劳森核聚变条件。成功与否，端看磁场设计。
最成功的磁场是苏俄科学家设计的托克马克（Tokamak）机器，后由欧洲国家发扬光大，以欧联磁核聚变设备（Joint European Torus，JET）（图4），主掌磁核聚变技术帅旗。
图4：欧联磁核聚变设备剖面示意图，左下角显示人体高度做为比例。
欧联磁核聚变设备高宽约10米，内含主要的环状磁场和数个垂直磁场，外加中央的脉动电浆电流起动兼加热磁场。环状加垂直加电浆电流的自生磁场，形成了一个包围在电浆外层的螺旋状磁场（图4-1），一面对氘氚电浆流经由挤压而得上千万度高温，一面维持电浆主体远离环状磁瓶墙壁，以确保由磁压辛苦得来的高温（图4-2）不减。
图4-2：欧联磁核聚变设备磁场内部重迭高温电浆影像示意图（右）。
1997年，欧联磁核聚变设备以氘氚燃料，创核聚变反应16百万瓦功率，相当于Q=0.7数值。这是目前人类能证实的最高Q的纪录。
磁核聚变设备好不好用，全在磁场设计。各类磁场设计原理不难，属大一物理范畴。但产生磁场的线圈设计，牵涉到拓扑几何图形。有的磁场特复杂，造成其中所含电浆性质各异，对未来商业核聚能发电厂将会有不同的设计思维冲击（图5）。
经过了近60年的努力，人类就快达到了Q=1的境界，但尚无法把太阳的核聚能装到磁瓶中发电。专家们结论，想再上一层楼，世界科技大国必需得强强联手，在欧联磁核聚变设备取得的成果上，再次冲刺，发展出一个更大的磁核聚变实验机器，以达到Q=5到10的目标。
未来50年
从理论上看来，磁核聚变机器越大，越容易得到较大Q的数值。
2006年底，欧盟、美、俄、日、南韩和印度等决议斥资93亿美元，以10年时间，兴建新一代的“国际热核实验反应炉”（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）。后因“热核”字眼对日本太过敏感，又因ITER在拉丁语中意为“旅途”，最后这个计划只留用ITER简称。中国于2007年9月参加ITER，成为第7个会员国。
对7个经济大国而言，93亿美元不是个大数目，仅够布什在伊拉克打9天的仗，但美国竟然在加入ITER一年后就宣布退出，令美国学界目瞪口呆，无法置信。
ITER计划在2018年启动，目标为产生5亿瓦核聚变功率，并维持氘氚核聚变燃烧1,000秒。这个数值相当于Q=5。另一个目标是在1秒钟瞬间产生10亿瓦核聚变功率，相当于Q=10。第三个目标是实验由热中子与锂反应，自身生产超重氢氚，回馈核聚变炉当原始燃料。另外也开发商业核聚能发电厂所需的超导磁场先进科技，和热中子转换成发电热能的材料合成技术。
核聚能发电厂的整体设计，要使用许多类的先进材料，期望能抵挡长年热中子和其它衍生出来的放射性元素的侵蚀。‘国际核聚变材料辐射设备’（International Fusion Materials Irradiation Facility，IFMIF）在2006年开始筹建，2017年使用，为核聚能发电厂所需材料科技把关。
ITER计划需时30年才能完成。下一个大计划是在2024年开始筹建一个验证性的核聚能发电厂（DEMOnstration Power Plant，DEMO），在2033年起动，至2040-2060年间达到持续生产25亿瓦功率电力的目的，相当于Q=25，可比美21世纪传统大型发电厂的电力供应。
结语
过去60年，人类梦想把太阳核聚能装到瓶中当能源使用，现仍在这条艰难的长征路上前行。一分耕耘，一分收获，人类可能还要再努力50年，才能实现这个取之不尽、用之不竭的宇宙终极绿色能源。
人类，加油！
