先简单介绍一下”放射性”,”辐射”这些东西是怎么回事。

一个人本质上就是一堆原子,这些原子通过各自电子和质子的互相吸引排斥 交叉结合形成分子,DNA等等。如果有一个外来粒子,比如说一个高速电子或者光子打过来,它可能把这堆运行良好的原子机器上的某个原子的电子打飞,导致这 个原子电离,就会改变它的带电量,使它跟其他原子的相互搭配出现偏差:

如果很多原子都这么被外来粒子造成电离,最后必然打乱分子和DNA的排列组合,人体组织就破坏了。DNA/RNA 乱了就会发生”变异”。当然也可能会发生好的变异(比如把黄瓜种子送上太空回来变成超级蔬菜),但大多数情况下不太好,重的甚至是直接死亡,轻的也可能会 传给下一代。

这种把原子打电离的行为被称为”致电离辐射”,可以想见,这种辐射需要高速,也就是高能量的带电粒子或者光子。很多人谈论”手机辐射”,或者计算机显示器的”辐射”,那些都是非电离辐射,至今没有直接证据表明手机产生的那么一点点能量对人体真正有害。

其实生活中每个人每时每刻都在接受来自宇宙射线的电离辐射。这些宇宙射线就是高速带电粒子,用一个盖格计数器可以很容易的探测到。好在我们受到的辐射很 少。地球外层空间有大量的高速带电粒子,多亏地磁场和大气层的保护,绝大多数到不了地面。这就是为什么要把种子送到太空去接受辐射。对于宇航员来说,辐射 是个严重问题,至今没有什么好的办法来防护。地球磁场的尺度比地球半径大得多得多,因此空间站上的宇航员呆一两年受到辐射也可以忍受。但如果去火星的话, 受到的辐射剂量是相当大的。大约两年前看纽约时报的报道,火星登陆计划的一个重要难点就是怎么防护宇宙射线的辐射,这个难可能点还没有解决。

地面上的高速带电粒子都是来自放射性衰变或者核反应,或者粒子加速器。说一种物质具有放射性,意思就是说把它放在那里它自己就会往外发射高速带电粒子, 比如说氦离子(α衰变),电子(β衰变),或者光子(γ衰变)。这就是为什么说放射性是一种污染。裂变反应堆反应出来的副产品往往具有放射性,必须把它们 妥善保管远离人群,称为核废料。

相比之下聚变反应的废料是氦4和中子。氦4很好,就是气球里那种气体。但中子就很有问题了。中子 不带电,从这个角度它不可能直接导致致电离辐射。但正因为中子不带电,它很容易直接接触原子核,导致人体内分子断裂。中子弹就是用这个原理,号称只杀人不 拆房子。但由于中子可以用重水或者石墨之类的东西来防护,它的”直接伤害”并不大。

聚变反应中子的真正麻烦之处在于中子可以跟反 应装置的墙壁发生核反应。用一段时间之后(根据一本讲主流聚变的书是三五十年,根据一篇讲氦3的文章是十来年)就必须更换,很费钱。而且换下来的墙壁可能 有放射性(取决于墙壁材料的选择),成了核废料。还有一个不好的因素是氚具有放射性,而且氚也可能跟墙壁反应。

因为这个原因,有人认为氘氚聚变只能算”第一代”聚变,优点是燃料无比便宜,缺点是有中子。

“第二代”聚变是氘和氦3反应。这个反应本身不产生中子,但其中既然有氘,氘氘反应也会产生中子,可是总量非常非常少。如果第一代电站必须远离闹市区,第二代估计可以直接放在市中心。

“第三代”聚变是让氦3跟氦3反应。这种聚变完全不会产生中子。但正如有人指出的,只要是核反应就不能说绝对没有污染,具体怎么样必须让实践回答。理论 上讲,第三代反应堆可以直接放在宇宙飞船上了。这个反应堪称终极聚变,就好像《变形金刚》一样,只需要收集一种”能量块”,不用考虑营养搭配。虽然地球上 没有,但月球,木星,土星上都多得是,用不着抢。

第二代和第三代聚变反应的方程:

飞船上用氦3的另一个好处是产生的反应物都是带电粒子,可以用电磁场的方法向外喷射直接当发动机。如果是一大堆中子就很难控制了。但尽管如此,很多聚变发动机的设想仍然是使用更容易实现的氘氚聚变(喷射α粒子),比如下面这个:

如果用氘和氦3聚变的话,因为产生的质子也带电可以用来往外喷射,显然效率会大大提高。聚变发动机的最大优势在于燃料重量很轻,可以大大缩短航行时间。

所以如果人类已经是巧妇什么饭都会做,氦3这种米显然味道最好。

问题是,如果现在我们连第一代聚变都不会做,为什么还有这么多人谈论氦3呢?根据拉姆斯菲尔德的分类法,美国在反恐战争中面临的困难包括 “已知的已知”,”已知的未知”,和”未知的未知”。我们前面所讲的所有东西都是”已知的已知”。下面要介绍的将是”已知的未知”了,话题很可能会引起争 议。

对于受控核聚变来说,温度是最关键的。氘氚聚变需要的温度是10KeV (相当于1亿度),而氘与氦3的聚变,要想达到一个”体面的”反应率,需要的温度是100KeV。达到这个温度并不难,比如日本的JT-60已经实现了 50KeV。可是温度越高,保持这个温度也越困难。从这个角度推测,氦3聚变必然比氘氚聚变要困难。既然如此为什么有这么多人谈论氦3,难道他们都是小学 还没毕业就设计博士论文么?

在一本1997年出版的书里面,以及在网上搜索氦3聚变,所有链接都最终指向威斯康星大学的聚变技术 学院中的一个实验室。这个实验室实现了氦3的聚变反应。更有意思的是,他们用的办法不是主流的托克马克或者惯性约束,而是”静电场约束” (Inertial-Electrostatic-Confinement,以下简称IEC)。这其实是一个已经有几十年历史的设计(也叫fusor), 其原理如下图:

图中半径45厘米的大球是一个真空室,里面有一个半径10厘米的金属网格。真空室的电压为0,而金属网格带有10万伏的负高压,这样就形成了一个电场。 因为参与聚变反应的原料都是带正电的离子,它们一定在电场作用下会以高速往中间跑,并且来回震荡,在碰撞过程中就会发生聚变反应。相对于ITER那样的庞 然大物,IEC整个装置并不是很大(这哥们不会找我要肖像权吧):

内部的金属网格闪闪发光:

在这个装置上已经实现了稳定的氘-氦3聚变,反应率达到了每秒260万次,产生了大量质子,但输出能量远小于输入能量,目前还远远不足以用来发电。目前 IEC的实用价值主要是可以作为一个便携式的中子和正电子产生器,比如说用于医学。我本能的反应是,这种有点另类的装置是否能独辟蹊径?具体说,就是:

“静电场约束”+氦3,在技术上是否比主流+氘氚,更有可能早日实现聚变发电?

有调查研究才有发言权。在网上根本搜索不到上面这个问题的答案。所以我做的调查研究非常简单。我直接给这个实验室发了封电子邮件。

我提出了两个问题:1)对于氦3聚变来说,IEC是否是比主流装置更有优势?2)对于IEC来说,相对于主流的氘氚聚变,它是否更愿意进行氦3聚变?

回信非常实在:1)主流不做氦3,是因为主流装置都是专门设计的大型装置,当然要做更现实的氘氚聚变;2)即使是对于IEC来说,也是氘氚聚变更容易。 对于氦3,因为它有两个质子,所以如果能把氦3原子的两个电子都打掉,它的带电量就比氘氚高一倍,从这个角度来说的确在IEC里面更容易加速。但他承认, 目前还不知道怎么打掉第二个电子。

在回信中这个哥们还告诉我一个我在网上没看到的情况,就是要想增加反应率,必须提高能量输入,但反应率似乎有一个上限,接近这个上限的时候你增加很多很多能量,反应率却只增加一点点。

后来我在wikipedia介绍fusor的条目中查到了其中的本质原因。静电场约束只能约束带正电的离子(中心网格带负电),或者只能约束电子(中心 网格带正电),但不能同时约束离子和电子。IEC的情况是真空室里面能达到中心的只能是离子,而这么多离子聚在一起他们会互相排斥,也就是说密度高不了。 这也就意味着反应出来的能量密度高不了。而托克马克里面是同时有电子和离子的,只不过他们互相自由运动而已,所以托克马克可以达到相对比较高的密度。正是 因为这个原因,有人认为IEC装置永远也不可能实现聚变发电。

其实还有一些其他的装置可以实现氦3聚变,但目前为止氦3聚变的”主流”是IEC。然而IEC是聚变发电的”非主流”,它固然有很多具体应用,可是发电看来希望渺茫。除非将来发现”未知的未知”,否则氦3必然是一个比氘氚还要遥远的梦想。

所以我发现的答案是这样的:为什么这么多人谈论氦3?因为科学家需要发表论文。我曾经看到一个非常长的宣传氦3的演示文件,前面相当大的篇幅居然是从能源危机开始谈,到最后也没说多少技术可行性。氦3的确很遥远,但NASA有不少经费支持聚变发动机。

登月需要理由么?仅仅带动一个国家相关学科发展这一条,它就不可能是形象工程。所以我认为登月就好好登月,没必要非得说氦3。