一、氦3是核聚變反應(yīng)的理想燃料嗎？

多次在媒體上看見報(bào)道：“月球表面土壤中富含大量的氦3，初步估計(jì)有上百萬噸。作為核聚變中必不可少、安全的核聚變?nèi)剂?，?span lang="EN-US">3在地球上分布極少。在核聚變發(fā)電商業(yè)化的前提下，如果能夠解決將氦3運(yùn)回地球這一問題，8噸的氦3可解決全中國一年的能源供應(yīng)總量。月球上百萬噸的氦3資源為全人類提供幾千年的能源沒有問題。由此得出結(jié)論：月球是解決地球能源危機(jī)的理想之地?！?span style="color: black; ">。似乎，氦3儼然成了我們探測月球的一個(gè)理所當(dāng)然的科學(xué)目標(biāo)。

然而，氦3是核聚變中必不可少、安全的燃料嗎？氦3是核聚變反應(yīng)的理想燃料嗎？

眾所周知，可能的核聚變反應(yīng)主要有以下幾種：

D+D→³He(0.82 MeV)+n(2.45 Mev)

D+D→T(1.01 MeV)+p(3.03 Mev)

D+T→⁴He(3.52 MeV)+p(14.06 Mev)

D+³He→⁴He(3.67 MeV)+n(14.67 Mev)

氘-氚反應(yīng)的生成物是氦4和中子。因?yàn)橹凶硬粠щ?，它很容易直接作用于原子核發(fā)生核反應(yīng)，從而改變材料的化學(xué)成分，導(dǎo)致分子斷裂。中子彈就是用這個(gè)原理，號稱“只殺人不拆房子”。在反應(yīng)堆中人們一般用重水或者石墨等材料來防護(hù)中子，可以將它的“直接傷害”降低到很低的程度。聚變反應(yīng)中子的主要麻煩在于中子可以跟反應(yīng)堆的壁材料發(fā)生核反應(yīng)，用一段時(shí)間后壁材料就需更換，換下來的壁材料一般都具有放射性，成了核廢料。

氘-氦3反應(yīng)的產(chǎn)物全部是帶電粒子，可以通過磁場加以約束，對反應(yīng)堆材料沒有傷害，被看成是干凈的聚變反應(yīng)（當(dāng)然，其中既然有氘，氘氘反應(yīng)也會產(chǎn)生中子，但這部分中子的量很小）。因此人們覺得，似乎，氦3才是理想、安全的核聚變?nèi)剂?，再加之地球上?span lang="EN-US">-3儲量極少，而月球探測表明，月球上氦-3儲量估計(jì)在100萬噸以上（http://zh./zh-cn/%E6%B0%A6-3）。似乎，月球上的氦-3就是人類正在尋找的下一代理想能源！

眾所周知，原子核的庫倫斥力的作用使得原子核必須具備足夠動能才能靠近到核力能夠發(fā)生作用的距離內(nèi)。核電荷越多，庫倫斥力越大，原子核靠近所需的動能也越大，即反應(yīng)截面越小。在核電荷數(shù)相同的情況下，質(zhì)量越大，反應(yīng)截面越大。理論計(jì)算表明，氘-氚聚變反應(yīng)截面比氘-氘聚變反應(yīng)大約100倍，比氘-氦3的聚變反應(yīng)截面大幾十倍。在諸如Tokamak裝置中，如果約束時(shí)間大于1秒以上、聚變等離子體粒子數(shù)密度為每立方米10²⁰個(gè)的話，要達(dá)到核聚變的勞森判據(jù)對于氘-氚等離子體所需的溫度大約為幾億度（這是目前人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的），而氘-氦3等離子體的溫度則需要超過百億度（這么高的溫度對于目前及可預(yù)見將來幾乎都是不可想象的）！因此，無論是目前正在運(yùn)行中的Tokamak裝置（如歐洲JET、日本JT-60U、中國HL-2A等），還是正在通過國際合作聯(lián)合研制的ITER，甚至激光核聚變裝置如美國NOVA、中國神光系列等，它們的目標(biāo)都是氘-氚聚變，而非氘-氦3聚變！以氦3為聚變?nèi)剂希诳深A(yù)見的將來幾乎都是不現(xiàn)實(shí)的。

二、受控核聚變的燃料是什么？

將來我們能夠?qū)崿F(xiàn)的聚變反應(yīng)不是氘-氦3聚變，而是氘-氚聚變！氘可以從海水中提取，按重量計(jì)算，重水占海水的6700分之一，儲量非常巨大，據(jù)估計(jì)，如果全部用于未來的氘-氚聚變反應(yīng)發(fā)電的話，可夠全球使用10億年！相對人類歷史來說，幾乎是用之不盡的。

那么氚從何而來呢？氚是一種不穩(wěn)定同位素，容易發(fā)生下列β衰變生成氦3及一個(gè)電子加一個(gè)反中微子：T→³He+e+ν_e，半衰期為12.43年。因此地球上幾乎沒有天然氚的存在。不過，我們可以通過人工方法來獲得：

⁶Li+n→T+⁴He+4.80 MeV

⁷Li+n(2.5MeV)→T+⁴He+n

前一個(gè)反應(yīng)中只需熱中子就可以發(fā)生，生成氚并放出4.80 MeV能量，后一個(gè)反應(yīng)是吸能的，需要高能中子，生成氚的同時(shí)并放出一個(gè)熱中子。上述反應(yīng)完成后，利用熱擴(kuò)散法分離使氚富集，即可逐步得到純度很高的氚。

因此，氘-氚聚變反應(yīng)的另一個(gè)主要燃料實(shí)際上是鋰！在自然界中，鋰有兩種同位素：⁶Li和⁷Li，其相對豐度分別為7.42%和92.58%。鋰在地殼中平均含量為65ppm，主要存在于鋰輝石、鋰云母、透鋰長石和磷鋁石，以及鹽湖鹵水中的碳酸鋰中，上述礦物統(tǒng)稱鋰礦。2002年全球已查明的鋰礦資源量為1200萬噸左右，如果全部用于氘-氚聚變發(fā)電用，則可供全球使用一萬年左右。這些鋰礦資源中，玻利維亞占540萬噸、智利300萬噸、中國110萬噸、巴西91萬噸。日本自己幾乎沒有鋰礦資源，每年從國際市場進(jìn)口大約一萬噸左右。相對來說，中國的鋰礦資源并不豐富，保護(hù)我們的鋰礦資源實(shí)際上遠(yuǎn)比到月球上去勘探氦3更重要！

三、實(shí)現(xiàn)受控核聚變的主要難點(diǎn)在哪里？

雖然快中子對聚變反應(yīng)堆是一個(gè)重要挑戰(zhàn)，但是人們已能通過各種精巧的設(shè)計(jì)，將中子對反應(yīng)堆的傷害降低到越來越低的程度（例如，主要由中國主導(dǎo)提出的聚變-裂變混合堆概念，讓鈾238吸收聚變反應(yīng)產(chǎn)生的快中子，生成容易被裂變堆利用的钚239，這不但可以大部分地解決聚變中子問題，還可以處理由核裂變堆產(chǎn)生的核廢料）。

事實(shí)上，現(xiàn)在受控核聚變最困難的問題并不是中子問題，而是對等離子體中各種不穩(wěn)定性的控制問題，即如何避免大破裂（Disruption）的發(fā)生？由于等離子體是一個(gè)高度復(fù)雜、極端脆弱的多體系統(tǒng)，其中不但包含電磁相互作用、各種波粒相互作用，同時(shí)還有非線性的湍流問題以及由湍流引起的各種相關(guān)耦合。掌握這其中的規(guī)律，不但需要對燃燒等離子體進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究（需要大量經(jīng)費(fèi)投入），同時(shí)在等離子體理論研究方面也需要重大突破（這就需要大量天才學(xué)者的智慧了）。

如果問20世紀(jì)人類取得的重大科學(xué)突破是量子力學(xué)和相對論的話，那么21世紀(jì)應(yīng)該努力的方向在哪里呢？是“兩暗一黑”嗎？我覺得不是，因?yàn)檫@些問題離人類實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。人類現(xiàn)在所面臨最緊迫的問題一個(gè)是能源，另一個(gè)是環(huán)境，而環(huán)境也與能源的使用密切關(guān)聯(lián)，也就是說最最緊迫的問題是能源！太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等幾乎都不可能取代受控核聚變能的地位的。所以我覺得21世紀(jì)人類在科學(xué)上最應(yīng)該努力的方向是非線性等離子體物理，只有找到如何避免等離子體大破裂（Disruption）的理論和方法，才能實(shí)現(xiàn)真正的受控核聚變發(fā)電，人類才能有效地解決能源、環(huán)境、交通、居住、食品等一系列社會發(fā)展的大問題！而且該方向上所取得的任何進(jìn)展，幾乎都可以用于對現(xiàn)代天體物理中的許多現(xiàn)象（如太陽耀斑爆發(fā)的觸發(fā)機(jī)制等）的解釋，對科學(xué)的推動都將是大范圍的！

四、其他核聚變途徑——低溫核聚變

1、1989年電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的低溫核聚變

1989年，猶他大學(xué)化學(xué)家S．Pons和M. Fleischmann宣稱在以鉑為正電極，鈀為負(fù)電極的電解槽中電解重水時(shí)，當(dāng)氘在鈀極上積累到足夠濃度后，產(chǎn)生了氘－氘聚變反應(yīng)，證據(jù)是觀察到輸出熱能大于輸入能量，無法用化學(xué)反應(yīng)能來解釋。同時(shí)，楊伯翰大學(xué)的物理學(xué)家S．Jones也進(jìn)行了兩年類似研究，他探測的是中子，發(fā)現(xiàn)有少量略高于本底的中子信號，猜測可能是氘－氘聚變的產(chǎn)物。但是Jones沒有看到多余熱能釋放。當(dāng)Jones得知P-F的研究后，建議兩組協(xié)作。Pons和Fleischmann不愿意，僅同意兩組同時(shí)將研究結(jié)果送英國《自然》雜志。選定1989年3月24日投稿，猶他組卻于3月21日提前召開新聞發(fā)布會，宣布了這一重大發(fā)現(xiàn)──室溫核聚變。猶他大學(xué)校方解釋提前召開新聞發(fā)布會是為了保護(hù)可能獲得的專利發(fā)明權(quán)?！蹲匀弧冯s志沒有接受猶他組的文章，因?yàn)閷徃迦艘筇峁?shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)與對比實(shí)驗(yàn)，而后者拒絕了。

世界各地著名實(shí)驗(yàn)室也都爭先重復(fù)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。早期宣布的結(jié)果往往聳人聽聞，矛盾百出。有的聲稱只發(fā)現(xiàn)大量的熱，有的則說只測到中子。喬治亞技術(shù)研究所先是報(bào)道測到了大量中子，后來又說他們的中子探測器竟然對溫度敏感，最后撤回了報(bào)告。另外一些實(shí)驗(yàn)室，如Caltech、MIT、Yale、Brookhaven、OakRidge等則根本就沒有發(fā)現(xiàn)有異常中子及熱能產(chǎn)生。英國核聚變研究中心Harwell實(shí)驗(yàn)室在M. Fleischmann的通力合作下，花費(fèi)三個(gè)月時(shí)間，耗資50萬美元重復(fù)猶他組的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中選用了8種不同類型的鈀電極，沒有看到任何氘－氘聚變的產(chǎn)物，包括³He，⁴He，³T，中子以及熱能的釋放。幾星期后，美國能源部的一個(gè)專門委員會建議不再資助冷聚變項(xiàng)目。1990年9月，猶他大學(xué)決定審查龐斯的工作并宣布關(guān)閉該校的冷核聚變研究所。

美國物理學(xué)會1989年10月全文發(fā)表了Langmuir的報(bào)告，指出P-F事件帶有很強(qiáng)的病態(tài)科學(xué)的特征：猶他組的“發(fā)現(xiàn)”不是按照正常提送科學(xué)論文的規(guī)則，而是一開始就訴諸新聞界，從而在整個(gè)社會形成了一種心理壓力；Pons和Fleischmann始終拒絕詳盡公布實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，在正式學(xué)術(shù)會議上，有人質(zhì)疑他們是否做了純水的對比實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們卻公開拒絕回答這類問題；Pons于1989年9月在日本對記者關(guān)于實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋提出疑問和批評時(shí)，強(qiáng)調(diào)說：“對于不愿意相信的人們，提出什么數(shù)據(jù)材料也沒有意義”。把一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)必須具有的客觀可重復(fù)性變成了一個(gè)信仰問題！這還是科學(xué)嗎？

好像事情并未結(jié)束，不斷有人繼續(xù)探索冷核聚變的可能性。MIT的哈格斯坦教授一直在進(jìn)行冷核聚變研究；波特蘭州立大學(xué)的達(dá)西教授不僅自己相信冷核聚變的存在，還培養(yǎng)了一群學(xué)生繼續(xù)這項(xiàng)研究；意大利的奧古斯都－蒙梯大學(xué)在重復(fù)冷核聚變實(shí)驗(yàn)中還取得了不小進(jìn)展；德國、日本、以色列等國的科學(xué)家也在繼續(xù)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們甚至聯(lián)合起來，成立了一個(gè)“國際冷聚變科學(xué)協(xié)會（ICCF）”，每隔一年半組織一次學(xué)術(shù)研討會?；ヂ?lián)網(wǎng)上，冷核聚變的專門網(wǎng)站LENR-CANR.org的數(shù)據(jù)這些年成倍增長，全球冷核聚變研究者在此發(fā)表研究結(jié)果。

2、氣泡中聲空化實(shí)驗(yàn)中的低溫核聚變

20世紀(jì)30年代，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲波穿過液體時(shí)，如果聲音足夠強(qiáng)，在適當(dāng)頻率將產(chǎn)生聲空化現(xiàn)象：在液體中產(chǎn)生細(xì)小氣泡，氣泡隨即坍塌為一個(gè)非常小的體積，內(nèi)部的溫度可超過10萬攝氏度，并發(fā)出瞬間閃光。這種現(xiàn)象稱為“聲致發(fā)光”。產(chǎn)生的氣泡越大，坍塌后的溫度就越高——甚至可高達(dá)1000萬度，足以引發(fā)核聚變反應(yīng)。2002年3月8日《科學(xué)》雜志報(bào)道，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家塔利亞克漢用氘化丙酮作為實(shí)驗(yàn)材料，用中子脈沖轟擊丙酮液，使其內(nèi)部產(chǎn)生了微小氣泡，并利用聲波促使這些氣泡保持快速而穩(wěn)定增長。當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，丙酮液體中這些微小氣泡便迅速膨脹后突然崩潰，產(chǎn)生千萬攝氏度的高溫與局部高壓，同時(shí)伴有強(qiáng)大的沖擊波、閃光以及巨大能量的產(chǎn)生，這種狀態(tài)大約持續(xù)了1微微秒，他們判斷很可能發(fā)生了核聚變反應(yīng)。這一研究成果公布后，立刻引發(fā)了科學(xué)界的廣泛爭論。

然而，論文提交后，他們在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中并未能獲得能量為2.45MeV的中子，因而對上述研究成果提出質(zhì)疑。如果兩個(gè)氘原子發(fā)生核聚變，那么將產(chǎn)生氦-3原子和能量為2.45MeV的中子，或者產(chǎn)生氚原子和能量3.02MeV的質(zhì)子。質(zhì)子會很快被丙酮液體吸收，因此能探測到的就是2.45MeV的中子。塔利亞克漢在論文中認(rèn)為，他們在使用閃爍計(jì)數(shù)器時(shí)探測到了這個(gè)能量的中子，而且事后在丙酮中也發(fā)現(xiàn)有氚含量的升高。

塔利亞克漢實(shí)驗(yàn)小組自得到美國高級計(jì)劃研究局資助后，使用脈沖器件公司研發(fā)的改進(jìn)設(shè)備進(jìn)行了更為精確的試驗(yàn)，從而給出了進(jìn)一步的證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在2005年《物理評論E》上。美國國家物理聲學(xué)中心主任巴斯說：“塔利亞克漢獲得的新證據(jù)非常、非常令人印象深刻。”但仍有物理學(xué)家對塔利亞克漢的最新實(shí)驗(yàn)表示懷疑。加州大學(xué)洛杉磯分校的普特曼說：“某些新的數(shù)據(jù)相當(dāng)令人激動，但在沒有其他獨(dú)立實(shí)驗(yàn)證實(shí)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果前，我仍將持懷疑態(tài)度?！?/span>

新一輪實(shí)驗(yàn)中，塔利亞克漢小組用靈敏度極高的設(shè)備，可探測到更多聚變跡象——氚和中子。新實(shí)驗(yàn)還增加了一個(gè)2002年沒有的控制實(shí)驗(yàn)。過去大部分氣泡核聚變實(shí)驗(yàn)用的都是直徑為2英寸的玻璃圓球或圓柱。脈沖器件公司為新實(shí)驗(yàn)提供了直徑為9.5英寸的鋁球，其外壁可承受1000個(gè)大氣壓。普通的聲致發(fā)光，僅在1-2個(gè)大氣壓下，就產(chǎn)生大量的能量，如果產(chǎn)生的氣泡越大，那么它坍塌后的溫度就越高。如果在1000個(gè)大氣壓下，氣泡內(nèi)將有更多的氣體達(dá)到聚變臨界條件。

3、η子催化低溫核聚變

η子是一種質(zhì)量比電子重200多倍的帶負(fù)電的輕子，不參與強(qiáng)相互作用，因此它能穿透很厚的物質(zhì)層不發(fā)生核作用。同時(shí)η子也是不穩(wěn)定的，會自發(fā)衰變，平均壽命為2.2×10^-6 s。除質(zhì)量和穩(wěn)定性這兩項(xiàng)性質(zhì)與電子不同外，其他方面與電子幾乎完全相同。1946～1948年間我國物理學(xué)家張文裕在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)η子在液氫中慢化至能量只有幾個(gè)eV時(shí)，受原核正電荷的吸引，極易被俘獲，從而取代原子中的電子而形成η子型氘原子和η子型氚原子，國際上稱之“張?jiān)印?。由兩個(gè)這樣的張?jiān)訕?gòu)成的分子即為η子型分子。正是因?yàn)?/span>η子比電子的質(zhì)量大200多倍，在由η子氘原子和η子型氚原子組成的η子型分子中，兩個(gè)核間的距離要比普通分子小得多，從而使核聚變反應(yīng)的幾率大約可提高80多個(gè)數(shù)量級，而且受η子的影響，核的穩(wěn)定性很也大大降低，這又會進(jìn)一步提高發(fā)生聚反應(yīng)的幾率。具體反應(yīng)過程：把高能質(zhì)子(能量在290 MeV以上)或一定能量的中子注人氫氣或液氫中，就會產(chǎn)生π介子，π介子進(jìn)一步衰變即可生成η子；η子取代原子中的電子而形成η子型原子；由η子型原子生成η子型分子；在η子型分子中，兩個(gè)原子核之間的距離比普通分子中的要小得多，因此很容易發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放能量的同時(shí)也釋放出η子，可以繼續(xù)催化新一輪的核聚變反應(yīng)，由此而形成類似于核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程。當(dāng)η子與核聚變反應(yīng)生成的離子粘合在一起形成η子型氦原子時(shí)，便再也無法催化核聚變反應(yīng)了，從而退出鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程。不過由于核聚變反應(yīng)之后離子和η子都具有很高的能量，它們粘合在一起形成氦原子的幾率一般很小。

由于η子的平均壽命僅為2×10^-6 s左右，人們當(dāng)初從理論上估算一個(gè)η子在其一生中最多僅能催化大約100次核聚變反應(yīng)，所得到的總能量輸出最多只有2 Gev，而用加速器產(chǎn)生一個(gè)η子大約需要10 GeV的能量輸人，即輸出能量不到輸入能量的20％，而且這里還沒有考慮能量轉(zhuǎn)換過程中的各種損失。不過到上世紀(jì)80年代初，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室在氘一氚混合體系中觀察到每個(gè)η子催化的核聚變反應(yīng)的平均次數(shù)達(dá)到150次以上，核聚變產(chǎn)額超過了當(dāng)初的理論預(yù)期值。目前在美國、加拿大和日本的一些實(shí)驗(yàn)室里還在繼續(xù)進(jìn)行這類研究，期望能進(jìn)一步提高核聚變的產(chǎn)額。

拿中子誘發(fā)核裂變反應(yīng)來做一個(gè)對比是很有意思的．我們知道自由中子的平均壽命很短，大約在l5 min，但是在原子核中的中子卻可以長期存在，而且用中子誘發(fā)的核裂變反應(yīng)堆也可以長年累月地運(yùn)行．η子的壽命很短，與中子的情況對比，我們也可想象，如果η子也能進(jìn)入到類似于中子在原子核中那樣的系統(tǒng)中形成一種束縛態(tài)時(shí)，是不是也可以長期存在呢? 而且我們還可以設(shè)想每一次催化核聚變反應(yīng)釋放出來的η子也是一個(gè)新生的η子，它也可以重新開始對下一輪聚變反應(yīng)進(jìn)行催化，那么通過一定的鏈?zhǔn)竭^程，讓這樣的核聚變反應(yīng)堆長年運(yùn)行也就不難理解了，很明顯，這種核聚變反應(yīng)具有比常規(guī)核聚變反應(yīng)多得多的優(yōu)越性．

探索更有效的η子快速催化核聚變反應(yīng)的途徑，我們知道，當(dāng)η子與α離子粘合形成η子型氦原子時(shí)，便無法再催化核聚變反應(yīng)，從而退出催化核聚變反應(yīng)過程，如果我們想辦法用一定的磁場將核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能α離子分離出來，那么就有可能提高η子催化的核聚變產(chǎn)額，從系統(tǒng)中引出的高能α離子的能量也是可以利用的；探索以盡可能低的能量輸入來獲得大通量η子束流的有效途徑；探索其他與η子具有類似性質(zhì)帶負(fù)電的粒子(例如介子等)催化核聚變反應(yīng)的可能性．