《三思科学》电子杂志
第三期，2001年9月1日


目　　录
封面

封面故事
[逍遥]干细胞漫谈

读者意见
环保和全球变暖

新闻
月影传说
118号失踪事件
冰与暗的彼端
我们在害怕什么

求知
[沈建其]质子、中子里有些什么
[异调]称球问题
　——经典智力题推而广之三
    一、问题
    二、记号
    三、每个球都已知可能为轻或
    可能为重的情况
    四、问题的解答
    五、四十个球的例子
[九歌]行为生物学常识(连载)
　——行为的生物功能和进化
[逍遥]生命之旅(连载）
    １、序言：从肉包子开始
　　２、噩梦般的鸡蛋
    ３、主旋律
[柯南]核聚变的魔瓶
多媒体：月相演示

译述
《科学的谬误》选译
    １、四大元素
　　２、氧气的错误
《科学美国人》：
    纳米机械的过去和未来


观点
[陶世龙]从《地外文明曾经光临泰山》
    看今日之学风与文风
[刘华杰]“遍历”人生：
    关于女巫的博士学位

历史
[刘华杰]理性的彷徨(连载)
　　七、约瑟夫森
　　八、爱因斯坦支持ESP吗
　　参考文献与说明
[异调]ENIGMA的兴亡（二上）
[碧声]寻访巨石阵

书评
[逍遥]未来的世界
　——读《基因天堂》有感
[碧声]科学在谬误中前行
　——读《科学的谬误》
[祝晓崑]留住你的脚步
　——读《时间的观念》
[柯南]彗星回归之日
　——读《面向全体美国人的科学》

辨伪
[石青]火星上的人脸
　　——25年传奇的破灭
[方舟子]破解罗斯威尔事件

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三思言论集
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            核聚变的魔瓶

　　　　　　 柯南



　　对于经历过80年代的中国人来，都有过遇到因为供电不足而
被迫停电的经历（当然这并不是实质上的能源危机）。我们有时
候也会担心，一旦石油和煤用尽的话应该怎么办？更何况燃烧化
石燃料产生的二氧化碳还会造成温室效应——人类所面临的最严
重的危机之一。我们应该依靠什么样的新能源，水力、风力还是
太阳能等等？当然，核聚变也许是一个不错的选择。


　　           太阳的秘密和爱因斯坦


　　自从人类记事开始，太阳就一直在发着光和热——当然这是
颇为自大的说法，事实上，太阳已经这样燃烧了大约50亿年了。
地球表面上，每一分钟在指甲盖大小的面积上，垂直入射的阳光
会带来大约10焦耳的能量。曾经有人猜想太阳是依靠煤的燃烧来
发光发热，但是显然那样的一个大煤球烧不了50亿年。上个世纪
初，人们首先用光谱分析的方法发现了太阳上面存在着氦元素—
—在这之前人们从未见过的元素。后来，在30年代，科学家提出
了质子-质子反应的理论，认为太阳存在着核反应。这种反应主
要是四个氢原子核（即质子）聚变产生一个氦原子核。太阳上有
大量的氢，大约占总质量的四分之一，不愁很快“烧”完。那么
太阳巨大的能量有是怎么来的呢？前面提到，四个氢原子核可以
合成一个氦原子核。但是反应前的四个氢原子核的质量要大于反
应后的氦原子核——这种现象被称为“质量亏损”。根据爱因斯
坦著名的的质能公式E=Δmc2,减少的质量对应于释放的能量。对
于太阳上面的核反应，每生成一个氦原子核大约会放出几百万电
子伏的能量。电子伏是一种能量单位，相对于我们的日常生活，
这是一个很小的单位。比如以电子伏为单位计算日常生活所需的
能量，得出的数字将会带有令人头晕目眩的零。但是，很多氢原
子核发生聚变反应，放出的能量就令人瞠目结舌了。


              裂变还是聚变，这是个问题
 

　　人们发现较重的原子核裂变成较轻的原子核的时候也会产生
这种质量亏损的现象，比如我们熟知的铀元素。事实上，利用铀
的这种性质，人们已经制造出了实用化的能源装置——核裂变反
应堆。世界上现在有数百座核电站正在运转中，你日常生活中所
使用的电用可能就是来自于核裂变产生和转化的能量。人们也会
很自然的想到，为什么不模仿太阳的工作方式，制造一种核聚变
反应堆呢？利用核聚变发电比利用核裂变有很大的好处。比如，
核聚变产生的主要是氦——比起令人心有余悸三哩岛和切尔诺贝
利核泄漏事件，这个过程基本上是“干净”的。核裂变反应堆把
大量的心思放在如何处理核废料上，通常这些“灰烬”是人们眼
中的过街老鼠。它们会被密封在混凝土中，被人们严加看管。核
聚变反应使用稀薄的气体，所以你也不必担心它会像核裂变反应
堆那样爆炸（当然，核聚变反应堆也很少出这种事故，它基本上
是安全的）。核裂变的主要材料——铀235——在地球上已经探
明的储量足够人类使用几百年，但也仅仅是几百年而已。那么聚
变呢？我们一般使用氢的同位素——氘和氚——作为核聚变的
“燃料”。从海水里可以找到氘，一升海水所含的氘不多，大约
在零点零几克，但是考虑到整个地球的海水总量，我们拥有的氘
竟然有几十亿吨。所有这些氘所产生的聚变能量是所有裂变材料
所产生的千亿倍。相对于几千年的文明来说，这已经可以称为永
不枯竭的能量了。

　　对于面临能源危机的人类，这是一个真正的福音。但是且慢，
你见到过利用核聚变发电的电厂吗？没有。在地球上，除了在科
学家们的实验室里进行过核聚变外，我们唯一知道的大规模核聚
变只有一种——那就是氢弹的爆炸。


             　　原子烤炉·所罗门的魔瓶


　　核裂变是很容易发生的，事实上，铀235在天然条件下就能
够自发进行核裂变。但是核聚变就没有这样的好事了。比如刚才
氢原子核聚变成氦原子核，我们知道，氢原子核带有正电荷，它
们之间相互排斥。而要想进行核聚变，非要把它们积压到非常非
常近的距离。把氘加热到超高温就可以实现这个目的。在高温高
压下，氘原子核疯狂的运动、碰撞，总有一部分原子核可以相互
接近到足够发生反应的距离。在太阳的高压下，大约1500万度就
可以发生这种聚变反应，在人类的实验室里面，这个数字大约是
数亿度。为了达到这个“点火”温度，氢弹是用一个小型的原子
弹作为“火柴”的。但是显然用于发电的反应堆不能打原子弹的
主意。科学家可以设法把氘加热到上亿度，但是随之而来的问题
是——用什么充当这个原子烤炉的材料？

　　氘原子被加热到上亿度的时候，电子就会脱离原子核的束缚，
这样的一团炽热的气体被称为等离子体。很遗憾，我们还找不出
一种材料可以直接容纳它——它实在太热了。

　　　　　　
           　　图一   甜面包圈：托卡马克装置的示意图， 
            超高温的等离子体就在这个空腔里运动。



　　不过科学家们想出了一个巧妙的方法：用磁场。强大的磁场
可以牢牢地束缚住炽热的等离子气体。科学家们建造了一个如同
甜面包圈形状的空腔，空腔内是真空，其外是产生磁场的线圈。
这个古怪的“烤炉”同时拥有一个古怪的名字：托卡马克
(tokamak)。这个装置最初是由俄国人制造的，在俄语中，托卡
马克是“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词拼凑在一
起的。上亿度的等离子体在空腔里转啊转啊，如同游乐场里的旋
转木马——它们不会接触到容器壁，不会惹出乱子来。这有点像
传说中的所罗门的魔瓶，不过起作用的不是魔法（magic）而是
磁场（magnetic field）。


                　　“你盈利了吗？”


　　你盈利了吗？提这个问题的不仅仅是如今焦头烂额的各大网
站焦头烂额的CEO们，也包括研究核聚变的科学家。一个有实用
价值的聚变反应堆第一要具备的条件就是：产出的能量要比投入
的多。

　　建造一个托卡马克装置是很费钱的，然而大家可能想不到，
长期以来托卡马克装置做的都是赔本买卖——至多是不赔不赚
（从这个角度上说，托卡马克确实像如今的网站）。使氘达到点
火温度所需要的能量、维持强大的磁场所需的电能——这一切换
来的不过是一丁点儿核聚变的回报。甚至有的时候仅仅是发生了
核聚变反应科学家们就很满足了，这至少证明托卡马克在理论上
是可行的。

　　最近，一组美国科学家建造了一个叫做DIII-D的托卡马克装
置。这个装置能够自动消除磁场中的缺陷。这样一来，等离子体
就会在空腔里不停的旋转——而不是像以前那样变慢和变得不稳
定。DIII-D已经成功的把核聚变率提到到了原先的4倍，压力提
高到原来的两倍。
　　　　　　
                       　　图二   DIII-D托卡马克装置的内部
　　然而DIII-D仍然不是一个实用的装置。建造托卡马克相当昂
贵，如果想要实用化，那么它的能量产出要远远大于投入——这
样才能把本钱赚回来。

　　我们距离实用化的核聚变反应堆还有一段距离。但是如同超
导的研究一样，一旦成功，我们的世界将为之改变。




          通用原子能公司的DIII-D网页