原標題：為什么核裂變易于控制而核聚變很難？

　　本文由微信公眾號環球科學ScientificAmerican授權轉載。

　　我懷疑絕大多數人在閱讀關于核聚變的文章時，比如最近在《時代》雜志上刊發的一篇關于新成立的通用聚變公司（General Fusion）的專題中，人們多半只是關注了“核能”的部分。

　　德國馬普學會等離子體物理研究所的核聚變裝置Wendelstein 7-X仿星器。

　　圖片來源：DPA/ALAMY

　　而實際上，核聚變與核裂變相差甚遠。讓我們回顧一下這兩者的異同點。

　　質量化為能量

　　假設我有200萬美元，當然，這只是假想情況。出于某些考慮，我決定將這筆錢存到兩個獨立賬戶中。存完錢之后，我發現每個賬戶的金額都只有999999美元。是的，有2美元憑空消失了！可能作為交換，這消失的2美元給我帶來了滿滿的能量。那樣或許也行。

　　核裂變反應中發生的情況也是這樣。如果你觀察一個原子，你會發現它由3種粒子構成：電子、質子和中子（氫原子不含中子）。原子核中的質子數告訴我們該原子的元素種類（氮的質子數為7，銀的質子數為47）。原子量則等于質子數與中子數的和。鈾235含有92個質子（這是鈾元素的本質屬性）和143個中子（因為235-92=143）。哈哈，下次聚會上你又可以多聊兩句了。如果兩個原子的質子數相同而中子數不同，那它們是同位素（如氕和氘）。

　　我們回到核裂變上，這部分有些瘋狂。如果鈾235裂變為兩個碎片，那么你會得到氪92、鋇141和兩個額外的中子。如果將所有的中子與質子都考慮進來，這看起來似乎也很正常。如果你將最初的鈾與最終的所有裂變碎片的質量相比較，將會發現有些質量消失了。原有的質量超過了反應之后的質量，這確實有些匪夷所思。是不是有點像將2百萬美元均分兩份最后卻少了2美元？其實能量并沒有真正消失——它只是轉化為其他形式的能量了。沒錯，我們可以將質量視為一種能量，這也正是著名的愛因斯坦質能方程所要表述的。

　　在上面的表達式中，E是等效能量，m是粒子質量，c是光速（常數，值為2。99×108m/s）。由于這一比例常數數值極大（還要平方），極小的質量也會有巨大的能量。這些質量變化帶來的能量可以用在哪些方面呢？顯然，可以用來加熱水并提供蒸汽。這就是核裂變反應堆通常所做之事——它們提供蒸汽驅動渦輪機發電，如同一個燃煤電廠，只是不用煤罷了。

　　上述例子考慮的是當你將某物分開時質量的變化。若將氫與氘（氫的同位素，中子數為2）結合成較重原子核，同樣也發生了質量變化。若輕元素融合，產物質量少于初始原料，這一過程也釋放出能量。因此，重原子裂變產生能量（核裂變），輕原子聚變也產生能量（核聚變）。

　　為什么核裂變優于核聚變？

　　相對來講，核聚變相當困難。這一過程不需要中子轟擊原子核啟動反應，而需要使兩個帶正電的原子核距離足夠近而發生融合。由于原子核并不含有電子，它們帶正電且相互排斥。這意味著，原子核的能量必須非常高才能克服庫侖力作用發生核聚變反應。不言而喻的是，高能粒子就是問題之所在。這也是核聚變反應困難而核裂變相對容易的原因（實際上也有些難度）。

　　與核裂變相比，核聚變又好在哪里呢？

　　核裂變反應堆也有諸多依然懸而未決的問題。首先，反應原料的問題。我覺得Marty McFly在《回到未來》中提到钚的時候，就很好地闡釋了這一點：“博士，你不可能走進一家商店買些钚。難道是偷來的嗎？”

　　核裂變反應的原料并非隨處可得。事實上，如果你要找尋一些天然钚，那你將一無所獲。人工合成钚是唯一的方法。核裂變的另一個問題是反應產物。在核裂變反應之后，剩余的原料不但具有放射性，化學性質也很活性，很難處理。

　　核聚變則能解決上述的核裂變中產物與原料的問題。核聚變反應的原料更為簡單，雖然氘也不那么輕易可得，至少你無需自己制備它。聚變之后，將會生成氦4或氦3。想想這些氦氣能讓你充多少個氣球吧！（撰文：Rhett Allain 翻譯：徐麗 審校：胡家僖）