【原创】追寻终极能源：浅谈受控核聚变 [ 同人于野 ] 于:2007-04-20 23:53:57
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    最近中国造了一个被记者们称为"人造太阳"的科学实验装置，代号EAST。这个装置号称可以解决能源问题，最终目标是提供一种取之不尽用之不竭，绝对安全而且还没有污染的能源。在国际上，2006年各方终于签署协议，开启一个有史以来最大的国际科学合作项目，在法国南部的 Cadarache 也建设一个"人造太阳"，称为 ITER。这个项目的总投资在30年之内超过120亿美元，中国也参与了，并且负担前十年大约60亿美元中的10亿。
　　
　　这些装置被称为"人造太阳"，是因为其释放能量的方式跟太阳类似，都是核聚变。不过除此之外他们跟太阳就没有更多的相似之处了，比如说不管是 ITER 还是 EAST，其设计运行温度都比太阳高得多。
　　
　　本文试图用一般人能看懂的方式介绍一下相关的知识，也就是受控核聚变。
　　
　　聚变能源这个梦，人类已经做了70年。现有的原子能反应堆都跟原子弹原理类似，是利用核裂变。就算能解决其中的污染和安全问题，核原料是有限的，如果放开用的话可能坚持不到下个世纪。而聚变则完全不同，原理类似于氢弹，它的污染要小得多（也不是绝对没有污染），基本上可以说绝对安全，最重要的是其原料可以从海水中取得。理论上一桶水中含有的"聚变原料"所释放的能量等于300桶汽油，所以几乎就是取之不尽的。我们玩的所有即时战略游戏里面都有关于能源的争夺，但受控核聚变一旦做成，未来人类可能甚至根本不必为能源操心。基努里维斯1996年的科幻电影《Chain Reaction》（链式反应）说的就是受控核聚变发电做成了的故事（尽管链式反应其实是核裂变过程），《Spider-Man 2》里面那科学家搞的也是受控核聚变。
　　
　　这的确是个很酷的科学项目。比如你跟人说你是做等离子体的，别人还以为你说的是那种竞争不过液晶的大电视，但如果你说等离子体主要研究受控核聚变，他要不懂的话可能马上要跟你谈风险投资。
　　
　　所以你有义务进一步告诉他，受控核聚变这东西未来50年之内做不成。否则还搞什么国际合作早就保密专利了。上世纪五十年代以前，关于受控核聚变作为新能源的研究，各国都是保密的。后来大家感到实在难做，1958年开了个会全面公开了。受控核聚变现在与其说是一个技术，不如说是一个科学。也就是说大家搞科研主要为了发文章而不是为了专利。
　　
　　霍金说，科学家和妓女是两个能从自己的工作中获得乐趣的职业。这么多人明知道一直干到退休可能都做不成还要继续做，一方面是各国政府的确往里面投钱，另一方面当然这里面也有很多有意思的东西。本文的目的不是为了劝谁给聚变研究投钱，而是为了让更多的人能够体会其中的乐趣。当然我也是想通过写这么一篇文章能够使自己对相关领域加深了解，就好比说想要学好一门学问，最好的办法就是写一本这方面的书。
　　
　　拍电影要找舒淇，搞物理要搞性感物理。核聚变这些东西听起来似乎实用性很强，但是内容显然不如超弦激动人心，不如克隆通俗易懂，不如密码破译有刀光剑影。我以为这门科学的美感在于她的复杂。比如《Physics Today》杂志曾经有篇文章说模拟受控核聚变装置，是目前人类计算手段的最大挑战。不知道有多少新的算法被发明出来在超级计算机上付诸实施，耗费了不知道多少时间，和计算机时间。我希望能够找到什么办法让人能够理解这种复杂性。
　　
　　做了一点前期准备工作，找了至少五本参考书。正如费曼说物理学的发展往往超过书籍出版的速度，我将参考最新的文章资料，也要用到 google 和 wikipedia。（在网上灌水这么认真的人不多吧）如果谁看完这个系列文章之后能跟一个等离子体专业的研究生说出一件他也不太清楚的事情来，证明你在这方面的知识不是他真子集，那是我最想看到的结果。
　　
　　我本人还是个菜鸟绝非专家，此文属于抛砖引玉，错误在所难免。如果有专家看到一定要批评指正，不要客气，因为万一有中学生看见别误人子弟。同时也请提醒我不要错过任何有意思的内容。
　　
　　费曼说，如果你不能用通俗语言来描绘这个事情，说明你自己没有完全理解。我要尽最大努力让一般人能够看懂。如果你看完觉得受控核聚变特别简单，你错了。如果你看完觉得这些东西特别难，我错了。
　　
　　本文将会出现几个数学公式和一些图表。霍金写《时间简史》的时候只保留了一个公式，因为有人跟他说每一个数学公式都会使读者减少一半。我认为千言万语也不如一个公式说得明白，谈物理不用公式就好像日本人拍AV打马赛克一样不够意思。当然最后如果这篇文章没什么点击率，我可以说都是那些数学公式造成的，正确计算应该把点击率乘以2的数学公式总数次方。
　　
　　下面用一段经常被科普读物放在前言部分引用的话自勉：
　　
　　物理学家 Leo Szilard 有一次向他的朋友 Hans Bethe 宣布他想写日记。"我不打算发表。我只是把事实记录下来作为向上帝提供的信息。"
　　"难道你不认为上帝知道这些事实么？"Bethe 问。
　　"是，"Szilard 说，"他知道这些事实。但他不知道这个版本的事实。"
　　（Hans Christian von Baeyer, 《Taming the Atom》）
　　
　　（待续，这篇不好写，估计每周最多写一章。）
　　

关键词(Tags): 模拟 核聚变 受控核聚变 能源 计算
同人于野 选转。海天 荐,爱莲 荐,最后于2007-04-21 00:10:21改,共1次;