有人認(rèn)為，核聚變是解決人類文明升級(jí)的一個(gè)坎，可控核聚變開(kāi)發(fā)成功了，人類就能夠走向星際旅行，文明就提升了一個(gè)檔次。

這種說(shuō)法有其合理之處，但又有點(diǎn)似是而非。因?yàn)檫@種說(shuō)法混淆了兩個(gè)不同問(wèn)題的界限，把兩件事合并成一件事來(lái)說(shuō)了。其實(shí)具體來(lái)說(shuō)，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(shì)人類自從在動(dòng)物中脫穎而出，成為智慧物種以來(lái)，文明進(jìn)程都是伴隨著能源的利用方式改變而進(jìn)步的。人類一路走來(lái)，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(shí)代，發(fā)展到農(nóng)耕時(shí)代、機(jī)器工業(yè)時(shí)代、自動(dòng)化時(shí)代、信息時(shí)代。

而這些所有用過(guò)的能源，都與核聚變的優(yōu)勢(shì)無(wú)法比擬。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程理論，物質(zhì)的質(zhì)量與能量是一個(gè)等價(jià)關(guān)系，如果質(zhì)量能夠全部轉(zhuǎn)化為能量，這個(gè)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(guò)質(zhì)能轉(zhuǎn)化方式取得的能量。

質(zhì)能方程的表達(dá)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(gè)方程計(jì)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(dāng)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(lái)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(wàn)倍，原煤的435萬(wàn)倍，石油的213萬(wàn)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?cè)黾恿?倍，這樣質(zhì)能轉(zhuǎn)化率就是是木柴的5390萬(wàn)倍，原煤的3045萬(wàn)倍，石油的1491萬(wàn)倍。

更具優(yōu)勢(shì)的是，核聚變?cè)显诘厍蛏峡梢哉f(shuō)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)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(lái)就可以作為核聚變?nèi)剂稀?/p>

經(jīng)測(cè)算，每一升海水里就含有0.03克氘，提煉出來(lái)作為核聚變?nèi)剂习l(fā)電得到的能量相當(dāng)300升汽油。而全球總儲(chǔ)水量有136億億噸，氘的儲(chǔ)量就有40萬(wàn)億噸之多，就相當(dāng)于1.2億億噸石油的儲(chǔ)量。

據(jù)一些機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，全球石油儲(chǔ)量還有9000億噸左右，每年開(kāi)采50億噸，還可以用180年。但問(wèn)題是石油的污染，主要是碳排放對(duì)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，現(xiàn)在的溫室效應(yīng)日益顯現(xiàn)，如果不加以改變和逆轉(zhuǎn)，人類很可能熬不過(guò)這個(gè)世紀(jì)末。

而水中蘊(yùn)含的核聚變?nèi)剂蟽?chǔ)量就相當(dāng)全世界石油儲(chǔ)量的44000倍。更重要的是核聚變還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是相對(duì)化學(xué)燃料和核裂變能源，完全是無(wú)污染的清潔能源，既不會(huì)產(chǎn)生放射性污染，也不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體。

由此，實(shí)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?cè)诤教祛I(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)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(gè)重大進(jìn)步。如果有了成熟的可控核聚變技術(shù)，作為未來(lái)深空遠(yuǎn)航的動(dòng)力，對(duì)人類走向深空當(dāng)然是一個(gè)利好。

現(xiàn)在人類的飛船所需燃料，主要還是化學(xué)推進(jìn)劑，發(fā)射的所需用量很大。如上世紀(jì)的土星五號(hào)，起飛質(zhì)量達(dá)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(guó)發(fā)射嫦娥五號(hào)的長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭，起飛重量約870噸，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的嫦娥五號(hào)只有約8.2噸，有效載荷只達(dá)到發(fā)射質(zhì)量約0.94%。即便現(xiàn)在最先進(jìn)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(dá)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(dòng)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(dá)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(xué)燃料，如N2H4（也稱聯(lián)氨或無(wú)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(wàn)分之一。

因此，如果需要加注5000噸化學(xué)燃料的火箭發(fā)射，采用核聚變?nèi)剂现恍枰?54克。實(shí)際上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)量，因?yàn)榛瘜W(xué)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(shí)也送上天，在送上天的過(guò)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(gè)惡性循環(huán)中，不過(guò)核聚變的反應(yīng)堆可能會(huì)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(yīng)該會(huì)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(dòng)機(jī)的比沖量也比化學(xué)燃料大很多。化學(xué)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(dá)到800~1000之間，而核聚變火箭比沖量可以達(dá)到2500~20000之間。

實(shí)現(xiàn)可控核聚變的難度巨大實(shí)際上，核聚變的能量在上世紀(jì)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(guò)性的，“轟”的一下就沒(méi)了，只能用于戰(zhàn)爭(zhēng)和威懾，對(duì)人類生活一點(diǎn)用處都沒(méi)有。人類需要的是，核聚變能夠緩慢長(zhǎng)久釋放，這種核聚變就叫可控核聚變或“人造小太陽(yáng)”。

之所以把可控核聚變叫做“人造小太陽(yáng)”，是因?yàn)樘?yáng)就是依靠核心源源不斷的核聚變，釋放出巨大能量。可控核聚變就是將太陽(yáng)這種核聚變方式，復(fù)制到地球上。

但太陽(yáng)核聚變是在3000億個(gè)大氣壓、1500萬(wàn)K溫度環(huán)境下進(jìn)行的，是由于太陽(yáng)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(jìn)行。在地球上無(wú)法制造出3000億個(gè)大氣壓，如何實(shí)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(jìn)行，溫度需要達(dá)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(xué)家們要攻克的難題，為此科學(xué)家們奮斗了幾十年，依然沒(méi)有很好解決。這是因?yàn)?，地球上，沒(méi)有任何材料能夠耐受1萬(wàn)度高溫，更別說(shuō)1萬(wàn)個(gè)1萬(wàn)度的1億度了。

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

地球上既然無(wú)法形成數(shù)千億個(gè)大氣壓的重力約束，就只能采取后面兩種方式。目前各國(guó)最常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)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(gè)人造磁阱。現(xiàn)在，試驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將1億度以上高溫控制在這個(gè)磁阱中，但時(shí)間還很短。

中國(guó)在2021年創(chuàng)造了1.2億℃等離子體維持運(yùn)行101秒，7000萬(wàn)℃等離子體維持運(yùn)行1056秒的世界紀(jì)錄。

核聚變點(diǎn)火和維持運(yùn)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(wú)價(jià)值。因此如何做到輸出能量大大高于輸入能量，這才是問(wèn)題的關(guān)鍵。就在今年2月9日，歐洲聯(lián)合環(huán)形實(shí)驗(yàn)室爆出一個(gè)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(diǎn)能量只相當(dāng)約16度電，只能燒開(kāi)幾壺開(kāi)水，但就像中國(guó)高溫維持的時(shí)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(píng)論：“這是一個(gè)驚人的結(jié)果，具有里程碑意義，實(shí)現(xiàn)了歷史上核聚變反應(yīng)的最大能量輸出。”他認(rèn)為，這個(gè)時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但在核時(shí)間尺度是一個(gè)非常長(zhǎng)的時(shí)間，有了這個(gè)突破，未來(lái)的路就容易很多。

不過(guò)許多專家認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化運(yùn)行，至少還需要努力30~50年。核聚變動(dòng)力不是走向深空的唯一選擇

核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)然是人類未來(lái)飛出太陽(yáng)系，飛向深空的理想動(dòng)力選項(xiàng)之一，但不是唯一選項(xiàng)，也不是最好選項(xiàng)。

除了核動(dòng)力，科學(xué)家們還提出了許多深空遠(yuǎn)航的動(dòng)力方案，如光帆技術(shù)。著名科學(xué)家霍金在生時(shí)啟動(dòng)了一個(gè)“突破攝星”計(jì)劃，就是采用激光轟擊光帆，使之達(dá)到光速的20%（每秒6萬(wàn)公里），拖動(dòng)一艘郵票大的探測(cè)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(guò)這個(gè)設(shè)想難度很大，霍金去世后現(xiàn)在進(jìn)展如何沒(méi)有更多消息。

還有利用太陽(yáng)帆的設(shè)想，就是利用恒星光壓的作用，推動(dòng)飛船飛往遠(yuǎn)方。光壓雖然很小，但無(wú)需攜帶燃料，只要有恒星存在，就可以永遠(yuǎn)推動(dòng)下去，而且會(huì)越來(lái)越快，最后達(dá)到一個(gè)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(jìn)器，其原理是先將氣態(tài)工質(zhì)電離，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下將粒子加速噴出，通過(guò)反作用力推動(dòng)航天器運(yùn)行。這種方式的動(dòng)力推力很小，但比沖量可達(dá)1000~30000，效率極高。

還有核脈沖火箭，是采用小型核爆作為推進(jìn)動(dòng)力的技術(shù)，比沖可達(dá)10000~1000000萬(wàn)，可實(shí)現(xiàn)光速10~12%的速度飛行。

還有無(wú)功質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以將任何形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。但這種發(fā)動(dòng)機(jī)尚在理論和實(shí)驗(yàn)階段，有人認(rèn)為違背動(dòng)量守恒定律，還有許多爭(zhēng)議。

能效比最大的當(dāng)然就是反物質(zhì)了，反物質(zhì)與正物質(zhì)碰到一起會(huì)湮滅，湮滅過(guò)程會(huì)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(huì)產(chǎn)生2kg質(zhì)量的全部被能量，這個(gè)能量是1.8*10^17J，相當(dāng)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(dá)到100萬(wàn)~1000萬(wàn)。

但反物質(zhì)十分難得到，且非常難保存，因?yàn)榉次镔|(zhì)一遇到正物質(zhì)就湮滅了。以現(xiàn)在人類技術(shù)，全世界國(guó)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(lái)。因此目前考慮用反物質(zhì)作為深空遠(yuǎn)航的動(dòng)力比夢(mèng)幻還夢(mèng)幻。

理論上，人類的未來(lái)還可以實(shí)現(xiàn)蟲(chóng)洞穿越和曲速航行。這兩種深空遠(yuǎn)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(fù)能量。這些技術(shù)如真能實(shí)現(xiàn)，人類文明將突破到一個(gè)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(lái)有新的轉(zhuǎn)化方式填補(bǔ)這段空白嗎？誰(shuí)也不知道。

宇宙浩瀚無(wú)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(rèn)識(shí)，未來(lái)的航天之路怎么走，一定還會(huì)有更多更好的選擇。

你說(shuō)呢？歡迎討論，感謝閱讀。

時(shí)空通訊原創(chuàng)版權(quán)