文明的桎梏：可控核聚变

一、质能方程

如果第三次能源革命到来，人类将解锁何种高级能源？

大佬刘告诉你们，这个高级新能源就是——核能。

一种蕴藏在原子核中的能量，随着核反应爆发出来，排山倒海、摧枯拉朽，在它面前，其它力量显得那么微不足道。

核能的威力是如此之猛，秘密在哪里？

因为核能燃烧的不是劈柴、不是煤炭，核能燃烧的是质量！

燃烧质量，转化成能量，其数据有多么恐怖？

答案就在爱因斯坦的质能方程：

E = mc^2

光看这个等式，大家可能无感。大佬刘为大家做一个计算比较，你们就知道这种数量级差距的天壤之别了。

当前的家用小轿车，高速公路上100公里/小时的速度行驶1小时，大概油耗6升。

燃烧6升汽油，能释放出多少热力“化学能”？

按汽油的燃烧值（热值）44000 J/g，密度0.75 g/mL计算：

6*1000*0.75*44000 = 1.98*10^8 (J）

这是一个很大的数字，足以拉着一家人去100公里外郊游，车里可以开着空调，听着音乐，发动机还需要冷却散热。

现在我们再来算一下，如果燃烧质量，仅仅1毫升汽油，可以释放多少“质量能”？

按汽油密度为0.75 g/mL，光速3.0*10^8 m/s计算：

E = 1*0.75*(1/1000)*(3.0*10^8)^2 = 6.75*10^13 (J)

通过计算比较可以看出，燃烧1毫升汽油释放出的“质量能”，要比燃烧6000毫升（6升）汽油的“化学能”，还要高出5个数量级！

这意味着，按现在汽油机的效率，燃烧1毫升汽油的“质量能”，可以驱动小轿车以100迈的时速跑(6.75*10^13)/(1.98*10^8)=340900（小时），行驶3409万公里或绕地球850圈。

一年365天也不过就是24*365=8760（小时），1毫升汽油蕴含的“质量能”，足以驱动轿车没日没夜连续跑38年不停歇！

二、燃烧质量

“质量能”是如此狂暴，能量密度是如此之高，那么，如何燃烧质量？

其实，燃烧煤炭石油释放的热力“化学能”，本质上也是“质量能”。燃烧的化学反应，实质上是原子核外的电子轨道能级发生跃迁，在形成新的化学键时，发生了质量的极微小亏损。

只不过化学反应这种质量亏损，实在是太小了，以至于我们化学反应方程式的配平，遵守的是质量守恒定律。

也正因为化学反应质量亏损极其微小，所以，“化学能”和“质量能”相比，其能量密度和规模，至少相差8个数量级，那是天与地的差别。

真正要释放出“质量能”，则需要高效燃烧质量，实现质量湮灭。

质量湮灭，有三种高效可行方式：

1）正反物质湮灭

正反物质湮灭是最高效的质量湮灭方式。比如电子（带负电）只要一遇上了反电子（带正电的正电子），在一片光芒中正反电子就全部湮灭了，可以实现完全的质量-能量转换，湮灭的正反物质会释放全部的能量同归于尽。

这样释放“质量能”真是太完美了！可惜我们生活在正物质的世界，如何找到或生产出大量的反物质，估计只有三级文明的智慧才能做到。

2）黑洞环绕湮灭

退而求其次的质量湮灭方式是物质环绕黑洞下落。

黑洞这东西几乎就是为了将质量变为能量而存在的。所有落入重力场的物体都会加速，导致动能增加，质量相应减少。高速运动物体互相撞击摩擦形成明亮的黑洞吸积盘，可以将动能转化为热能并辐射出去。

只不过对于行星甚至是恒星来说，这种质能转换的效率太低，基本跟化学反应效率一样差。但是对于黑洞就不一样了，因为黑洞体积极小，引力极强，质能转化效率是惊人的。

尤其旋转黑洞的表现更为惊艳，这些黑洞会拖拽环绕自己运转的物体与自己一同旋转。对于一个高速旋转的黑洞来说，最内层轨道几乎与事件视界相重合，落入旋转黑洞的物质，最高能够将自身质量的42%转换为能量。

这也算是一个非常理想的质量湮灭方式了。可惜，能掌握黑洞能源的，估计只有二级或三级文明智慧，才能达到。

3）核聚变湮灭

对于目前人类文明这样相对低等级的文明，最理想且最现实的质量燃烧方式是热核聚变。

核聚变反应与普通化学反应不同，它不是外层电子轨道的跃迁重组，它是原子核直接参与反应。

宇宙间最常见的热核聚变反应是两个氢核反应融合成一个氦核，同时损失约0.7%的质量，转化成巨大的能量。

太阳就是靠巨大质量产生的引力，使太阳中心产生足够的高温和高压，点燃了氢核聚变反应。

太阳内部氢核聚变反应放出的巨大能量，已经让太阳燃烧了45亿多年，并且还能持续稳定燃烧约50亿年。

如果温度足够高，压力足够大，氢核聚变形成的氦核可以进一步聚合生成碳核、氧核、硅核等更重的原子核，只不过释放的能量越来越少。当热核聚变到形成铁核时，核聚变反应不但不释放能量，反而要吸收能量。

当恒星的质量足够大，可以使中心核聚变反应进行到铁核的生成时，内核反应因为不放热，还要吸收能量，结果整颗恒星会坍塌，塌缩将使恒星发生大爆炸，成为照亮宇宙的超新星爆发。超新星爆发产生的极端高温高压，会使热核反应进一步进行下去形成比铁核更重的其它重原子核比如重金属元素。

所以，地球上有这么丰富的元素组成，本质上，我们是远古时代一场超新星爆发的产物。从这个角度讲，超星系爆发是恒星死亡时的璀璨，也是新生命的开端。

这里要提一句的是：原子数很高的重核是不稳定的，会自发裂变成轻核并放出能量。重核的裂变也属于核反应，同样伴随着质量亏损，比如铀235裂变成钡核和氪核再加上三个中子，亏损约0.09%的质量。我们平常讲的原子弹包括核反应堆，都是指重核的裂变。

不过，重核是由轻核聚变而来的，而且地球上不稳定可裂变重核含量极少且难以分离富集，所以大佬刘把重核裂变的能量源，同样归结为核聚变反应。

三、天空火球

原子的质量几乎都集中在原子核内，所以我们把核反应通过损失质量产生的能量，通常称为核能或原子能。

现在的人类，已经知道如何可控核裂变反应，并进一步用核裂变反应去引发核聚变反应。但核聚变反应一旦点燃，质能转换就不可控了。

不可控核聚变反应，产生的破坏性能量，只适合用来做热核武器——氢弹。

核聚变反应释放出巨大的能量，自然深深吸引着人们去控制和利用它。

但是核聚变反应需要的高温高压条件实在是太苛刻了，同时放出的能量又实在是太剧烈了，所以温和可控的核聚变技术，是当前人类科技树上的皇冠明珠。

正因为可控核聚变技术是如此之难，于是很多人就退而求其次。

他们认为我们为什么一定要在地球上人造太阳呢？天空不就挂着一个大火球嘛。太阳已经稳定燃烧了45亿多年，这个天然的大火球不就是稳定可靠的核聚变装置嘛。

因此，这些人关注的重点是如何使用太阳能，比如大规模建设光伏发电、风力发电、潮汐发电，统称为新能源。

诚然，这些新能源技术可以大大改善人类的能源结构，效果也非常明显。

但不管你怎么发展新能源技术，就算把地球上的沙漠全覆盖上太阳能电板，这顶多也就算是离太阳1.5亿公里之遥处的戴森球非常之小的部分。

要知道，整颗行星地球，所吸收太阳能量的比例，也不过是60亿分之一。

换句话说，你把整颗地球都铺上太阳能光伏电板，也不过是使用了太阳所有释放能量的微不足道的一点点。

而二级文明是能够利用整颗恒星能源的文明。

这意味着人类要是只停留在这个技术上，我们将永远距离二级文明十万八千里之遥。

四、人造太阳

大佬刘特别能理解《三体》小说中章北海为了拯救人类，一定要心狠手辣谋杀掉那几位令人尊敬但顽固的元老级科学家。

因为这几位老科学家支持传统的稳定可靠工质推进飞船而非辐射推进飞船。而工质推进飞船实际上就是化学火箭飞船的变种，如果人类停留在这种技术上，章北海很清楚人类将不可能战胜三体人。

所以，人类要爆发第三次能源革命，一定要发展可控核聚变等真正的新能源技术，一定要搞人造太阳。

围绕恒星的戴森球就算能建成，体积也太过于巨大，不方便使用。一定要把微小的可控核聚变装置塞进宇宙飞船，我们才能飞出太阳系。

造人造太阳当然非常之难，难就难在前人没有成功过。

造原子弹也很难，但是有其它国家成功了，研发方向和大致的技术路线有了，堆资本、堆人力、堆时间，总能造出来。

而人造太阳没有人造出来过，我们现在也不知道方向在哪里，也不知道技术路线是否可行，所以我们不敢堆资金、不敢堆人力，只能是摸索着试探性研究。

可喜的是，人类并没有畏惧困难，而是不断勇敢尝试和探索。

2022年末，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家宣布在可控核聚变研究方面取得了“里程碑式”突破，首次成功在核聚变反应中实现净能量增益，即可控核聚变产生的能量超过驱动反应发生的激光能量。

该实验室采用名为惯性约束聚变的方法，使用激光照射引发核聚变。国家点火装置（NIF）的激光聚变设备在当地时间2022年12月5日成功实现聚变点火，实验输入的能量为2.05兆焦耳，输出的能量则为3.15兆焦耳，超过输入能量的50%。

我国科学院在人造太阳超导托卡马克装置方面的研究也走在世界前列。

最近，我国安徽合肥的全超导托卡马克装置EAST在2023年4月12日又获得新的重大进展，实现了高功率稳定的403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行。

五、未来畅想

可以想象，人类一旦掌握可控核聚变技术，我们将是一个怎样的世界。

到那时，人造太阳如果研制成功，那么人类就可以摆脱对化石燃料的依赖。核聚变放出的能量是如此之大，相当于我们拥有用之不绝的能源，从此彻底解决人类的能源问题。

到那时，能源是如此的廉价和丰富，完全可以在全世界各地布满“插座”，配上无线充电技术，相当于我们的手机终端、电动汽车、家用电器可以随时随地充电，再也不用担心没电了。

到那时，随着清洁核聚变能源的广泛使用，我们也不用担心二氧化碳等温室气体排放。没有柴火的浓烟、没有汽车的尾气、没有高耸的烟囱，自然也就没有森林的砍伐、石油的冶炼、煤炭的挖掘，地球环境也可以得到极大的改善。

到那时，我们不仅能解决诸多的环保问题，而且掌控核聚变这样的“神迹”能源后，我们完全可以做到让大洋翻巨浪、长江水倒流、沙漠变绿洲，人类从此再也不靠天吃饭，完全有能力改变和控制地球的气候环境。

更重要的是，当可控核聚变装置能安装在宇宙飞船上，我们将可以实现恒星际飞行，人类将冲出太阳系，走向银河系。

总之，可控核聚变的实现，人类才有机会跨过一级文明，向二级文明进发。