科幻电影、图书和电子游戏中典型的未来发电厂就是核聚变反应堆。这听上去很了不起，但核聚变背后到底有怎样的故事呢？它真的存在吗？真的存在！
1 此处为双关语幽默，原文为“Well…Notexactly ‘stellar’”，stellar原意为恒星的，口语也有“精彩”之意。——译者注
带来能量的优秀结合
核聚变可能的确是人类未来的最佳能源，但它也曾是恐龙的能源。现在，它依然在为我们所用，只不过问题是，我们无法控制它或在发电厂中使用它。我们不得不使用大自然提供的核聚变。你可能会想，那是什么？它就是我们每个白天都能看到，而每个晚上无法看到的东西。没错，它就是太阳！在太阳内部，大量原子核聚变为更大的原子核，太阳通过这个过程来释放能量。这是怎么发生的呢？先从我们知道的最小的原子核——氢核讲起吧。氢核由一个质子组成。如果你把两个质子靠得很近，它们就能结合成一个更大的原子核：氘核，也就是氘原子的原子核。氘原子由一个电子和一个质子组成（和氢原子一样），外加原子核中的一个额外的中子。但电中性的中子并没有改变原子的化学性质，它很像氢原子，但重量是氢原子的两倍。可是，等等：开始时有两个质子，现在氘核内却有一个质子和一个中子。这是怎么回事？一定是其中一个质子转化成了中子。弱相互作用就是造成这种情况的原因。除了弱相互作用，我们还需要强相互作用来促成此事，正是该作用让质子和中子结合在一起。
我们在前文说氘核的质量是质子质量的两倍，但这个说法并非100%正确。其实，它的质量是质子的1.999倍。可其余的质量到哪里去了？虽然消失的那部分质量很少，但我们也不能忽视它。消失的质量一部分通过弱相互作用转化为了正电子和中微子。这是出于保留电荷的需要。但是核聚变后仍然少了一些质量，这部分质量被转化为能量。核裂变反应也一样，（部分）质量被转化为能量，我们知道，这就是“质量亏损”。所以你可以通过核裂变或核聚变反应利用质量创造能量。你可能有一个想法：可以让一个原子核因裂变而衰变，借此获得能量；再让裂变的产物进行聚变，我们继续借此获得能量；就这样，我们如此反复操作，来获取无限的能量……但这是不可能的。只有轻的原子核才在核聚变的过程中释放能量，只有重的原子核才会通过核裂变释放能量。
穿越屏障——允许作弊
虽然有些重核会通过裂变自动衰变，但另一些重核则需要外部触发，如用中子撞击原子核使其分裂。核聚变的情况则稍微复杂一些。想想两个质子。要使它们结合，我们需要两个相互作用：强相互作用和弱相互作用。但这两种作用的范围都只有大约一飞米，即10-15米，这便是使两个质子聚变的距离。问题是：在强相互作用和弱相互作用起作用之前，电磁相互作用就发挥了影响，因为它作用的范围是无限的。由于两个质子都是正的，电磁相互作用将引起排斥力。更糟糕的是：库仑作用所引起的相应的力会与距离的平方成反比。所以，超级短的距离意味着超级强的排斥力！从下面的插图我们就可以看出来：能量越来越多，才能让两个质子越靠越近。这就好比登山，越往上山越陡。
你如果有过骑自行车上山的经历就应该知道，这个过程相当辛苦。你想到的地方越高，需要的能量就越多。所以质子必须得到大量的能量才能产生核聚变。如果我们给出提示，测量气体中粒子动能的另一种方法是温度，你能想到一个有很多高能粒子的地方吗？说对了——还是太阳！
是这样的：恐龙和我们的最大的核聚变反应堆就是太阳。太阳内部发生了非常多的核聚变过程。太阳只不过是一个主要由氢原子组成的气体大球。因为它如此之大，引力可以把它凝聚成一个大球。太阳中心的质子真正承受着太阳自身引力造成的压力。这股引力压缩并加热了氢气，热量让太阳中的质子运动得非常快，致使它们挨得非常近——非常非常近——不过还没有近到让强弱相互作用起作用的程度。这些质子得玩一个小把戏：隧穿效应。量子力学告诉我们，即使一个粒子没有足够的能量穿过障碍，它的类波性质也能让它直接隧穿障碍。这种事发生的概率并不高，但仍然大于零。而只有由于这种隧穿效应，太阳中的质子才会聚变。而核聚变并没有到氘核就结束。氘核上再加一个质子就会产生氦-3（有两个质子和一个中子），而这样的两个氦-3可以核聚变为氦-4（有两个中子），另外释放出两个质子。而这两个质子又可以……让核聚变的故事重新开始。这个过程叫作“质子-质子”链式反应。在较重的恒星和超新星爆发过程中，氦和较重的原子核可以聚变，不断形成新的元素，直至铁元素为止。
地球上有个太阳？
听起来很不错，然而核裂变反应堆需要昂贵的、稀有的、具有放射性的铀，而核聚变反应堆只需要氢气（便宜，而且地球上很充足）。因此，在地球上建造一个类似迷你太阳的东西，并利用它来生产能源，似乎很有**力。人们在这个方向上有过很多尝试。为了运行核聚变反应堆，我们需要将氢气（也有一些案例尝试从氘气和氚气开始）加热到几百万度（这里是摄氏度还是华氏度并不重要）。因为在加热的氢原子中，电子已经脱离了质子，所以我们管它叫等离子体。我们需要把它存放在一个稳定而致密的环境中。加热等离子体有好几种方案。可以用微波或高速的中子打在上面，也可以使等离子体中产生电流——最后一种方案你可能已经看到过超级温和的版本了，那就是电缆输送高强度电流时，电缆会变热。我们可以通过磁场让等离子体始终聚在一起。要想保持等离子体的致密和稳定，我们需要非常强大和精确的磁场。目前人们正在测试几种这样的核聚变反应，[1]但到目前为止，所有这些反应加热等离子体所消耗的能量都比通过核聚变产生的能量多。希望未来这种情况能够得到扭转。让我们用一张ITER（国际热核聚变实验堆）反应堆的图片来结束本节。ITER反应堆是一个国际项目，目前正在法国卡达拉舍建设，它是一个甜甜圈形状的托卡马克装置[2]。其他的概念也在测试中，如仿星器型或基于激光的惯性约束聚变。未来的发展让我们拭目以待吧！
[1]见和。
[2]托卡马克是借助磁场实现核聚变的这类装置的名称，最初于20世纪50年代由苏联科学家发明。
