可控核聚變不能實現(xiàn)，就無法進行星際航行？其實這是兩碼事

有人認為，核聚變是解決人類文明升級的一個坎，可控核聚變開發(fā)成功了，人類就能夠走向星際旅行，文明就提升了一個檔次。

這種說法有其合理之處，但又有點似是而非。因為這種說法混淆了兩個不同問題的界限，把兩件事合并成一件事來說了。其實具體來說，可控核聚變是一碼事，而人類走向深空又是一碼事。

可控核聚變與傳統(tǒng)能源之間的比較優(yōu)勢人類自從在動物中脫穎而出，成為智慧物種以來，文明進程都是伴隨著能源的利用方式改變而進步的。人類一路走來，先后經(jīng)歷了柴火能源的使用、石化燃料的利用、電能利用、核能利用等階段，人類文明也從原始時代，發(fā)展到農(nóng)耕時代、機器工業(yè)時代、自動化時代、信息時代。

而這些所有用過的能源，都與核聚變的優(yōu)勢無法比擬。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程理論，物質(zhì)的質(zhì)量與能量是一個等價關系，如果質(zhì)量能夠全部轉(zhuǎn)化為能量，這個能量就是非常巨大的。但要將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量條件十分苛刻，核能就是通過質(zhì)能轉(zhuǎn)化方式取得的能量。

質(zhì)能方程的表達式為：E=MC^2。這里的E表示能量，M表示任意物質(zhì)的質(zhì)量，C表示真空光速。

如果按照這個方程計算，每1kg（千克或公斤）的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量可得到9*10^16J（焦耳）的能量，相當250億度電。如果將傳統(tǒng)能源燃燒得到的能量：木柴約1.2×10^7J/kg，原煤約2.1*10^7J/kg，石油原油約4.2*10^7J/kg，按照質(zhì)能方程來折算，其質(zhì)能轉(zhuǎn)化率約為：木柴0.000000013%，原煤0.000000023%，原油0.000000047%。

核裂變得到的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率約0.1%，也就是約木柴的770萬倍，原煤的435萬倍，石油的213萬倍。而核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率約為0.7%，是核裂變的7倍，同樣1公斤原料得到的效能就比核裂變增加了7倍，這樣質(zhì)能轉(zhuǎn)化率就是是木柴的5390萬倍，原煤的3045萬倍，石油的1491萬倍。

更具優(yōu)勢的是，核聚變原料在地球上可以說相當長時期取之不盡，用之不竭。其主要原料是氫（主要是氫的同位素氘或氚），而自然界的水就是氫氧化合物，只要把水中的氘和氚分離出來就可以作為核聚變?nèi)剂稀?/p>

經(jīng)測算，每一升海水里就含有0.03克氘，提煉出來作為核聚變?nèi)剂习l(fā)電得到的能量相當300升汽油。而全球總儲水量有136億億噸，氘的儲量就有40萬億噸之多，就相當于1.2億億噸石油的儲量。

據(jù)一些機構預測，全球石油儲量還有9000億噸左右，每年開采50億噸，還可以用180年。但問題是石油的污染，主要是碳排放對環(huán)境的影響日益嚴重，現(xiàn)在的溫室效應日益顯現(xiàn)，如果不加以改變和逆轉(zhuǎn)，人類很可能熬不過這個世紀末。

而水中蘊含的核聚變?nèi)剂蟽α烤拖喈斎澜缡蛢α康?4000倍。更重要的是核聚變還有一個優(yōu)勢，就是相對化學燃料和核裂變能源，完全是無污染的清潔能源，既不會產(chǎn)生放射性污染，也不會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體。

由此，實現(xiàn)可控核聚變，是目前人類文明發(fā)展最好的選擇。

核聚變在航天領域的巨大優(yōu)勢可控核聚變只要極少的燃料，就能夠制造出巨大的能量，因此是人類能源利用的一個重大進步。如果有了成熟的可控核聚變技術，作為未來深空遠航的動力，對人類走向深空當然是一個利好。

現(xiàn)在人類的飛船所需燃料，主要還是化學推進劑，發(fā)射的所需用量很大。如上世紀的土星五號，起飛質(zhì)量達到3040噸，送到地月轉(zhuǎn)移軌道的阿波羅飛船只有45噸，有效載荷只有發(fā)射質(zhì)量約1.5%，而其中消耗的燃料就有2700多噸。

我國發(fā)射嫦娥五號的長征五號遙五運載火箭，起飛重量約870噸，進入地月轉(zhuǎn)移軌道的嫦娥五號只有約8.2噸，有效載荷只達到發(fā)射質(zhì)量約0.94%。即便現(xiàn)在最先進的馬斯克星艦，起飛重量約5000噸，其中火箭燃料就需要3400噸，可以將1420~1470噸的滿載星艦送到地火軌道，其有效載荷約達到起飛質(zhì)量的28%！

這已經(jīng)非常厲害了，但消耗的燃料還是十分巨大的，而且前往火星的星艦真正的有效載荷只有100~150噸，燃料卻有1200噸。

如果采用核聚變動力，這種現(xiàn)象將發(fā)生顛覆性改變。核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換率可達到0.7%，這樣1kg核聚變?nèi)剂峡傻玫?.3*10^11KJ的能量；而1公斤常規(guī)火箭用化學燃料，如N2H4（也稱聯(lián)氨或無水肼）完全燃燒釋放的能量（N2H4+O2=N2+2H2O）只有19412.5KJ，質(zhì)能比只是核聚變的3245萬分之一。

因此，如果需要加注5000噸化學燃料的火箭發(fā)射，采用核聚變?nèi)剂现恍枰?54克。實際上還遠遠低于這個數(shù)量，因為化學燃料的火箭發(fā)射需要那么多的燃料，更多地是將裝載的燃料同時也送上天，在送上天的過程中燒掉。

而如果采用核聚變?nèi)剂?，則只需要將有效載荷送上天，根本就不需要將大量的燃料消耗在發(fā)送燃料這樣一個惡性循環(huán)中，不過核聚變的反應堆可能會占有很大一部分飛船的質(zhì)量。但不管怎樣，火箭和飛船的質(zhì)量都應該會降低很多，發(fā)射所需燃料就更少了。

這樣，只要攜帶幾公斤核聚變?nèi)剂希涂梢栽谔罩绣塾卧S久了。

除此之外，理論上核聚變發(fā)動機的比沖量也比化學燃料大很多?；瘜W燃料火箭的比沖量只有250~450之間，核裂變火箭的比沖量可以達到800~1000之間，而核聚變火箭比沖量可以達到2500~20000之間。

實現(xiàn)可控核聚變的難度巨大實際上，核聚變的能量在上世紀人類就已經(jīng)得到了，這就是氫彈爆炸。但這種能量只是一過性的，“轟”的一下就沒了，只能用于戰(zhàn)爭和威懾，對人類生活一點用處都沒有。人類需要的是，核聚變能夠緩慢長久釋放，這種核聚變就叫可控核聚變或“人造小太陽”。

之所以把可控核聚變叫做“人造小太陽”，是因為太陽就是依靠核心源源不斷的核聚變，釋放出巨大能量?？煽睾司圩兙褪菍⑻栠@種核聚變方式，復制到地球上。

但太陽核聚變是在3000億個大氣壓、1500萬K溫度環(huán)境下進行的，是由于太陽巨大質(zhì)量形成的重力，將核聚變束縛在核心持續(xù)不斷的進行。在地球上無法制造出3000億個大氣壓，如何實現(xiàn)可控核聚變呢？研究發(fā)現(xiàn)，只能在提高溫度上做文章。要激發(fā)核聚變并讓其穩(wěn)定不熄滅的持續(xù)進行，溫度需要達到1億℃以上。

這樣，如何約束這么高的核聚變等離子體，以及如何將能量轉(zhuǎn)化成可用能源，就成為科學家們要攻克的難題，為此科學家們奮斗了幾十年，依然沒有很好解決。這是因為，地球上，沒有任何材料能夠耐受1萬度高溫，更別說1萬個1萬度的1億度了。

科學研究發(fā)現(xiàn)，目前理論上有三種辦法可以對高溫等離子體進行約束，即：重力約束，太陽這種約束形式；磁約束，就是制造一個磁力阱，將等離子體約束在磁力阱里，不要碰到任何設備；慣性約束，就是利用激光或粒子束等動力源，高速沖擊裝填有核聚變材料（氘或氚）的微型球狀靶丸，讓這個靶丸向內(nèi)形成巨大壓力，激發(fā)核聚變。

地球上既然無法形成數(shù)千億個大氣壓的重力約束，就只能采取后面兩種方式。目前各國最常用的實驗設備叫托卡馬克裝置，這是一種磁約束裝置，其核心部分就是一個人造磁阱?，F(xiàn)在，試驗已經(jīng)實現(xiàn)了將1億度以上高溫控制在這個磁阱中，但時間還很短。

中國在2021年創(chuàng)造了1.2億℃等離子體維持運行101秒，7000萬℃等離子體維持運行1056秒的世界紀錄。

核聚變點火和維持運行本身就需要輸入很大的能量，如果能量輸入大于輸出就毫無價值。因此如何做到輸出能量大大高于輸入能量，這才是問題的關鍵。就在今年2月9日，歐洲聯(lián)合環(huán)形實驗室爆出一個好消息，將兩種氫（氘和氚）積壓在一起，在5秒鐘內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦的功率。

雖然這點能量只相當約16度電，只能燒開幾壺開水，但就像中國高溫維持的時間記錄一樣，都有著十分重大的意義。核聚變專家亞瑟·特瑞爾博士作出評論：“這是一個驚人的結(jié)果，具有里程碑意義，實現(xiàn)了歷史上核聚變反應的最大能量輸出?！彼J為，這個時間雖然不長，但在核時間尺度是一個非常長的時間，有了這個突破，未來的路就容易很多。

不過許多專家認為，要實現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化運行，至少還需要努力30~50年。核聚變動力不是走向深空的唯一選擇

核聚變發(fā)動機當然是人類未來飛出太陽系，飛向深空的理想動力選項之一，但不是唯一選項，也不是最好選項。

除了核動力，科學家們還提出了許多深空遠航的動力方案，如光帆技術。著名科學家霍金在生時啟動了一個“突破攝星”計劃，就是采用激光轟擊光帆，使之達到光速的20%（每秒6萬公里），拖動一艘郵票大的探測器前往比鄰星，二十幾年后就可以傳回比鄰星照片資料。

不過這個設想難度很大，霍金去世后現(xiàn)在進展如何沒有更多消息。

還有利用太陽帆的設想，就是利用恒星光壓的作用，推動飛船飛往遠方。光壓雖然很小，但無需攜帶燃料，只要有恒星存在，就可以永遠推動下去，而且會越來越快，最后達到一個很高的速度。

現(xiàn)在已經(jīng)在航天中廣泛使用的等離子推進器，其原理是先將氣態(tài)工質(zhì)電離，在強電場作用下將粒子加速噴出，通過反作用力推動航天器運行。這種方式的動力推力很小，但比沖量可達1000~30000，效率極高。

還有核脈沖火箭，是采用小型核爆作為推進動力的技術，比沖可達10000~1000000萬，可實現(xiàn)光速10~12%的速度飛行。

還有無功質(zhì)發(fā)動機，這是一種有別于傳統(tǒng)需要工質(zhì)（也就是燃料或電力）做功的發(fā)動機，這種發(fā)動機可以將任何形式的能量轉(zhuǎn)化為機械能。但這種發(fā)動機尚在理論和實驗階段，有人認為違背動量守恒定律，還有許多爭議。

能效比最大的當然就是反物質(zhì)了，反物質(zhì)與正物質(zhì)碰到一起會湮滅，湮滅過程會爆發(fā)出質(zhì)量的全部能量，是100%完美的質(zhì)能轉(zhuǎn)換。1kg反物質(zhì)與1kg正物質(zhì)（我們?nèi)粘？吹饺魏挝镔|(zhì)）湮滅，會產(chǎn)生2kg質(zhì)量的全部被能量，這個能量是1.8*10^17J，相當于500億度電，是核聚變能量的285.7倍。

用反物質(zhì)作為燃料，比沖可達到100萬~1000萬。

但反物質(zhì)十分難得到，且非常難保存，因為反物質(zhì)一遇到正物質(zhì)就湮滅了。以現(xiàn)在人類技術，全世界國民收入全部用于制造反物質(zhì)，一年不吃不喝也做不出1微克（千分之一克）來。因此目前考慮用反物質(zhì)作為深空遠航的動力比夢幻還夢幻。

理論上，人類的未來還可以實現(xiàn)蟲洞穿越和曲速航行。這兩種深空遠航方式都可以超越光速很多倍，又不違背光速藩籬，但需要極大的能量甚至負能量。這些技術如真能實現(xiàn)，人類文明將突破到一個新的階段。

迄今為止，核聚變是除反物質(zhì)之外，人類發(fā)現(xiàn)質(zhì)能轉(zhuǎn)化率最高的一種能源利用方式，但這種方式獲得的質(zhì)能轉(zhuǎn)化率也僅僅只有0.7%，到反物質(zhì)100%的完美轉(zhuǎn)化之間，還有99.3%的空白，未來有新的轉(zhuǎn)化方式填補這段空白嗎？誰也不知道。

宇宙浩瀚無垠，人類現(xiàn)在了解的自然規(guī)律還很少很淺薄，肯定還有許多更深刻的規(guī)律等著人類去發(fā)掘和認識，未來的航天之路怎么走，一定還會有更多更好的選擇。

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