有趣的是，雖然質(zhì)能方程的推導(dǎo)有些難度，但它的意義卻非常容易理解。這個(gè)方程說的就是，一定的能量必然對(duì)應(yīng)一定的質(zhì)量，一定的質(zhì)量也必然對(duì)應(yīng)一定的能量，兩者的比例系數(shù)是光速（c）的平方。由此可以推出，如果反應(yīng)前后質(zhì)量降低了，那么這個(gè)反應(yīng)必然放出能量，這個(gè)能量的數(shù)值就是質(zhì)量的損失乘以光速的平方。反之，如果一個(gè)反應(yīng)前后質(zhì)量升高了，那么這個(gè)反應(yīng)必然要吸收能量。因此，質(zhì)量虧損越高，放出的能量就越高。

讓我們來舉個(gè)例子。氫氣跟氧氣反應(yīng)生成水的質(zhì)量虧損是多少?

且慢！化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量不是守恒的嗎？

且慢，許多人立刻就會(huì)表示反對(duì)：化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量不是守恒的嗎？在初中剛開始學(xué)化學(xué)的時(shí)候，就學(xué)過質(zhì)量守恒定律。因此，許多人會(huì)認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)沒有質(zhì)量虧損。那化學(xué)反應(yīng)為什么會(huì)放出能量呢？他們會(huì)說，質(zhì)能方程不適用于化學(xué)反應(yīng)，只適用于核反應(yīng)。

但實(shí)際上，這種觀點(diǎn)完全是削足適履。正確的理解是，狹義相對(duì)論是普適的理論，質(zhì)能方程對(duì)所有現(xiàn)象都適用，包括化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)。為了充分理解這意味著什么，讓我們來計(jì)算一下氫氧反應(yīng)的質(zhì)量虧損。

1摩爾氫氣加0.5摩爾氧氣生成1摩爾水，放出能量242kJ。這個(gè)數(shù)值在化學(xué)反應(yīng)中屬于非常高的，甚至可以用來驅(qū)動(dòng)火箭。但由于光速的數(shù)值很大（近30萬千米每秒），這個(gè)能量除以c^2之后就會(huì)變成一個(gè)很小的質(zhì)量。結(jié)果是，氫氧反應(yīng)的質(zhì)量虧損比例只有1.8x10^{-10}，或者說百分之1.8x10^{-8}。這是個(gè)微不足道的比例。

因此，對(duì)化學(xué)反應(yīng)我們?nèi)匀豢梢杂觅|(zhì)量守恒定律，但應(yīng)該明白，它是近似而不是精確的定律。能量守恒定律才是精確的定律。正是由于能量守恒和質(zhì)能方程，才會(huì)推出，任何有能量變化的反應(yīng)必然伴隨質(zhì)量變化，所以質(zhì)量守恒定律不是個(gè)精確的定律。

相比之下，核裂變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率就非常高了。目前我們?cè)诤穗娬局杏玫亩际呛肆炎?，而其中最常用的核燃料是?235。鈾-235的裂變反應(yīng)，質(zhì)量虧損比例大約是0.09%。這比氫氧反應(yīng)的比例高了6個(gè)量級(jí)，明顯可以測(cè)出來了。這意味著，同樣質(zhì)量的反應(yīng)物，鈾-235裂變放出的能量比氫氧燃燒放出的能量高百萬倍。

因此我們參觀核電站時(shí)，經(jīng)常會(huì)聽說，一卡車的核燃料就足夠核電站用一年，以至于核燃料的成本在核電站整個(gè)生命周期中所占的比例幾乎可以忽略不計(jì)。

作為燃料的氚在反應(yīng)堆內(nèi)增殖

核聚變反應(yīng)生成的中子與作為冷卻材料的液態(tài)鋰鉛中的鋰-6（鋰的同位素，約占鋰總量的8%）原子核相碰撞會(huì)發(fā)生核反應(yīng)，并生成可以作為核聚變反應(yīng)原料的氚，將其回收并作為燃料利用。

但強(qiáng)中更有強(qiáng)中手，核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率更高。在所有的核聚變反應(yīng)中，最容易發(fā)生的是氘（D）氚（T）聚變，它的質(zhì)量虧損比例高達(dá)0.7%，比核裂變又高了一個(gè)量級(jí)。研究者會(huì)經(jīng)常說，一升海水中大約有30毫克氘，它聚變放出的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒放能！按照這種比例計(jì)算，核聚變足夠人類用幾十億年。

實(shí)際上，太陽的能量來源就是核聚變。在太陽核心，不斷發(fā)生著氫聚變成氦（He）的反應(yīng)。太陽已經(jīng)這樣燃燒了50億年，還將這樣燃燒50億年。太陽發(fā)出的能量，只有22億分之1發(fā)射到地球上，居然就養(yǎng)活了整個(gè)地球，所謂“萬物生長(zhǎng)靠太陽”，以至于古人往往把太陽當(dāng)作神。這是多么不可思議的偉力！如果不是核聚變，沒有其他任何途徑能夠維持如此長(zhǎng)期、如此巨量的能量輸出。因此，人們非常希望在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變，這樣的研究也經(jīng)常被比喻為“人造太陽”。

可控核聚變究竟難在何處？

那么，可控核聚變實(shí)現(xiàn)了嗎?回答顯然是沒有。不可控的核聚變倒是早就實(shí)現(xiàn)了，就是氫彈。跟基于裂變的原子彈比起來，基于聚變的氫彈要強(qiáng)得多。原理就是核聚變的質(zhì)能轉(zhuǎn)換效率比核裂變高一個(gè)量級(jí)。

可控核聚變究竟難在何處呢？基本的難點(diǎn)在于，核聚變要在極高的溫度和壓強(qiáng)下才能發(fā)生。原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子帶正電，中子不帶電，所以原子核之間都存在靜電排斥。要讓兩個(gè)原子核聚變，就必須讓它們靠近到非常近的程度，這時(shí)核子之間的吸引力才會(huì)克服靜電排斥力，導(dǎo)致聚變。順便說一句，核子之間的吸引力叫作核力，也叫作強(qiáng)相互作用，科幻小說《三體》中的探測(cè)器“水滴”就由假想中的強(qiáng)相互作用材料制成。

只有在極高的溫度和壓強(qiáng)下，原子核之間才有機(jī)會(huì)碰到一起。這個(gè)極高到底是多高呢？在太陽中心，大約是1500萬度和2000億個(gè)大氣壓。而在地球上，由于我們沒法實(shí)現(xiàn)那么高的壓強(qiáng)（太陽中心的高壓來自太陽巨大的質(zhì)量導(dǎo)致的引力，地球上沒有這么巨大的質(zhì)量），所以只好把溫度抬到更高，至少也得上億度。

反過來我們可以說，在太陽中由于壓強(qiáng)巨大，“只需”1500萬度就能實(shí)現(xiàn)核聚變。1500萬度其實(shí)是個(gè)很低的溫度！可以開玩笑地說，在了解超導(dǎo)之后，你就學(xué)會(huì)了重新定義高溫（在超導(dǎo)領(lǐng)域，高溫比室溫低）；而在了解核聚變之后，你就學(xué)會(huì)了重新定義低溫。

什么樣的容器才能承受上億度的高溫？

什么樣的容器才能承受上億度的高溫？現(xiàn)在我們知道的材料，熔點(diǎn)最高的也只有幾千度，無論什么材料在上億度面前都會(huì)熔化。

不過機(jī)智的科學(xué)家想出了辦法，就是用磁場(chǎng)來約束等離子體。首先，核聚變的燃料在上億度的高溫下都會(huì)變成等離子體，即原子核與電子分離的狀態(tài)。然后，由于原子核和電子都帶電，所以可以用磁場(chǎng)來調(diào)控它們的運(yùn)動(dòng)。

在最常見的設(shè)計(jì)中，我們用磁場(chǎng)讓等離子體形成一個(gè)環(huán)形電流，它就可以保持一直懸空，不碰到容器壁上。這種設(shè)計(jì)，就是托卡馬克（tokamak）。這個(gè)詞來自俄語，因?yàn)樗翘K聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的環(huán)形真空室磁線圈，托卡馬克就是這幾個(gè)詞的詞頭縮寫。

那么，用托卡馬克我們做到了什么程度呢？在某種意義上可以說，人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可控核聚變。但在這些實(shí)驗(yàn)中核聚變放出的能量還小于輸入的能量，即Q值小于1，所以還是越做越虧。20世紀(jì)90年代，英國牛津的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）和美國普林斯頓的托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（TFTR）都實(shí)現(xiàn)了兆焦耳級(jí)的核聚變能量輸出，它們的Q值都是零點(diǎn)幾。這些實(shí)驗(yàn)證明了可控核聚變的科學(xué)可行性，所以堪稱里程碑式成就。

了解了這些背景，就會(huì)明白，我們需要的是Q>1的可控核聚變。這正是當(dāng)前努力的目標(biāo)。BEST的“燃燒等離子體”，就是這個(gè)意思。

EAST沒有實(shí)現(xiàn)燃燒嗎？

很多人可能會(huì)想起中國科學(xué)院等離子體物理研究所的EAST。它難道沒有實(shí)現(xiàn)燃燒嗎?

確實(shí)沒有。EAST的全稱是Experimental Advanced Superconducting Tokamak，實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克，也經(jīng)常被稱為“東方超環(huán)”。它是全世界第一個(gè)全超導(dǎo)的托卡馬克，這是個(gè)了不起的成果，但它并沒有實(shí)現(xiàn)過燃燒。超導(dǎo)的重要性在于，約束等離子體的磁場(chǎng)來自電流，常規(guī)導(dǎo)體有電阻，在通電時(shí)會(huì)發(fā)熱，時(shí)間一長(zhǎng)就把線圈燒掉了，而超導(dǎo)體沒有電阻，所以可以更穩(wěn)定持續(xù)地得到強(qiáng)磁場(chǎng)。

EAST經(jīng)常做的是放電，即把注入的氘氣電離成等離子體。這是核聚變實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，但并不是核聚變。實(shí)際上，EAST的目標(biāo)是做等離子體物理實(shí)驗(yàn)，提高我們控制等離子體的能力。在這方面，EAST確實(shí)取得了很多領(lǐng)先成果。例如2025年1月20日，EAST實(shí)現(xiàn)一億度1066秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模式等離子體運(yùn)行，再次刷新等離子體高約束模運(yùn)行的世界紀(jì)錄。不過自從2006年建成以來，經(jīng)過將近20年的實(shí)驗(yàn)，EAST能做的事基本已經(jīng)做完了，下一步就是BEST的事了。

你也許注意到，BEST跟EAST的4個(gè)字母中其實(shí)有3個(gè)是相同的，即E、S、T，分別代表實(shí)驗(yàn)、超導(dǎo)、托卡馬克。唯一的區(qū)別就是B對(duì)應(yīng)burning plasma（燃燒等離子體），A對(duì)應(yīng)advanced（先進(jìn)）。真正的區(qū)別就在于燃燒等離子體。

了解這些背景后，BEST的使命就呼之欲出了。它要實(shí)現(xiàn)燃燒，即通過核聚變放出能量，而且Q>1，即能量輸出大于輸入。還要實(shí)現(xiàn)持續(xù)燃燒，即長(zhǎng)達(dá)上千秒，而不是瞬間的脈沖。

具體而言，EAST用的材料完全是氘，它從來沒有注入過氚。氘氚聚變是最容易發(fā)生的聚變反應(yīng)，而氘氘聚變就難得多了，所以EAST從來沒做過核聚變，或者說它只發(fā)生了非常低比例的聚變，可以忽略不計(jì)。而BEST就是真正要把氘和氚注進(jìn)去，而且它的磁場(chǎng)比EAST提升了3倍，所以可以實(shí)現(xiàn)氘氚聚變。

BEST為什么被稱為緊湊型?

還有一個(gè)有趣的問題是，BEST為什么被稱為緊湊型?

由于媒體經(jīng)常寫“緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）”，我們很可能把BEST當(dāng)成這個(gè)詞組的首字母縮寫。但其實(shí)完全不是，BEST的全稱如前所述，是燃燒等離子體實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克。所謂緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置，并不是一個(gè)特指，而是一類，BEST只是其中最先可能實(shí)現(xiàn)的一個(gè)。

緊湊的意思是，BEST的體積比傳統(tǒng)裝置如ITER小很多，但磁場(chǎng)強(qiáng)度更高，使得聚變功率密度顯著提升。按照現(xiàn)在的時(shí)間表，BEST最快可能在2027年完成主機(jī)系統(tǒng)建造，2030年前后啟動(dòng)氘氚燃燒實(shí)驗(yàn)，而ITER要在2034年才組裝好，2039年才滿功率運(yùn)行。

因此，如果一切都按計(jì)劃發(fā)展，那么BEST可能會(huì)成為全世界第一個(gè)實(shí)現(xiàn)氘氚穩(wěn)態(tài)燃燒的裝置。李建剛院士等人經(jīng)常說“要讓核聚變點(diǎn)亮的第一盞燈在中國”，就是這個(gè)意思。如果這能夠?qū)崿F(xiàn)，無疑意味著中國在可控核聚變領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先，有望引領(lǐng)人類到達(dá)下一個(gè)大臺(tái)階，這將是一個(gè)歷史性的突破。

不過我們還需要明白，BEST也只是可控核聚變實(shí)用化過程中的一站，還不是終點(diǎn)。這是因?yàn)锽EST還有很多難題沒有解決，包括等離子體約束、材料耐受性等，而其中最大的一個(gè)就是氚自持。氚是一種放射性同位素，它的半衰期是12年多，即每過12年多就少一半。因此，氚無法長(zhǎng)期儲(chǔ)存。目前氚主要來自核電站的副產(chǎn)物，全球一年的產(chǎn)量只有幾十千克。如果可控核聚變真的實(shí)用了，對(duì)氚的需求會(huì)比這高幾個(gè)量級(jí)，所以根本不夠用。

現(xiàn)在想到的辦法是，用鋰的同位素鋰-6現(xiàn)場(chǎng)制備氚。1個(gè)氘和1個(gè)氚聚變會(huì)產(chǎn)生1個(gè)阿爾法粒子即氦原子核，同時(shí)放出1個(gè)中子。這個(gè)中子打到鋰-6上，就會(huì)發(fā)生核反應(yīng)，生成1個(gè)阿爾法粒子和1個(gè)氚。這個(gè)氚又輸入回去反應(yīng)，這就叫作氚自持。目前全世界還沒有裝置做過氚自持的實(shí)驗(yàn)，BEST的計(jì)劃中也不包括氚自持。

所以在BEST之后，我們還需要建設(shè)一個(gè)裝置，叫作中國聚變工程示范堆（CFEDR，China Fusion Engineering Demonstration Reactor）。它的主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)氚自持，完全解決可控核聚變發(fā)電的技術(shù)可行性。如果所有這一切都如期實(shí)現(xiàn)，那么我們有可能在21世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可控核聚變發(fā)電。跟以前流行的笑話“可控核聚變永遠(yuǎn)需要五十年”相比，真可以說是：五十年太久，只爭(zhēng)朝夕！

以前中國的科研成果，大多都只是細(xì)分領(lǐng)域中的進(jìn)展。但BEST和將來的CFEDR不是這樣，它們是正面向可控核聚變這個(gè)人類有史以來最重要的科技發(fā)起沖擊。這是中國的歷史性時(shí)刻，也是人類的歷史性時(shí)刻。雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越！

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本文摘編自雜志2026年第1期，文章內(nèi)容略有刪改。

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