文明升级能源需求巨大，核聚变并非终极选择，未来出路在哪里？

核聚变是人类目前正在开发的优质新能源之一，如果推上商业运用，将完全缓解现阶段的能源危机，将人类文明推上一个新阶段。于是，有人认为，核聚变能源的利用，是人类未来文明升级，走向深空的唯一出路。

这就值得商榷了。我认为，核聚变只是人类目前正在开发的一种高效能源，是人类迄今为止认识的质能转换率最高的能源，但并不一定是未来人类最高级的能源。为什么这么说呢？这就要从爱因斯坦的质能方程说起。

质能方程

质能方程是爱因斯坦最伟大的发现和贡献之一，它揭示了质量与能量的当量等价以及互换关系，让人类对物质质量所蕴含的能量有了突破性认识。它告诉人类，只要有本事将物质质量全部转化成能量，能量就会取之不尽用之不竭。

质能方程有一个复杂的推导过程，最终得到一个十分简洁的表达式，就是E=MC^2。这个公式的意思是，能量E与质量M乘以光速C的平方是等价的，而且是可以互换的，只要人类有本事将物质质量全部转化为能量，这个能量就惊人的巨大。

质能的等价转换是相互的，也就是说质量既可转化为能量，能量也可转化为质量。但这种转化又是很难很难的，需要特别苛刻的条件，主要是需要巨大能量或者极高压力，而且能量转化为质量则更难。宇宙诞生那一刻，在无以伦比的压力和高温下，宇宙从大爆炸那一刻的纯能量，渐渐生成了各种元素和物质，才成就了我们的世界。

很小质量的物质可以转化出巨大能量，因此如果反转，则巨大能量才能够转化出很小质量。根据质能方程计算，1kg质量的物质，全部转化为可得到9*10^16J(焦耳）能量，每度电能相当3600000J，每吨炸药相当4814000000J，因此1kg物质全部转化成能量相当250亿度电能，2151万吨炸药。

等价对等转换，能量转化为质量，就是250亿度电能的能量，才能够转化出1kg质量，或者2500万度电的电能，才能够转化出1g质量。

现在已知的是，实现100%质能转化率，也就是物质质量全部转化为能量的途径只有一个，就是正物质和反物质碰撞湮灭。但我们世界反物质极少，而且捕捉和保存都十分困难，因此要取得这种完美质能转化还只能是个梦想。

人类过去的能源利用主要是通过对木柴或煤炭石油的燃烧，这种能源利用方式不是质能转换，而主要是通过化学反应的方式，质能转换在其中极其微量。如果按照质能方程计算，这种转化率极低。如1kg煤通过燃烧能得到约3000万J的能量，质能转化率只达到3*10^-10，也就是300亿分之一。

核能利用和可控核聚变开发现状

现在人类取得最大质能转换率的是核能。核裂变的质能转化率约0.1%，核聚变的质能转换率约0.7%，也就是1kg核燃料，这两种方式可以分别转化出1g和7g质量的能量。这比过去烧煤强多了，效能分别提升了300多万倍和2300多万倍。

原子弹爆炸和氢弹爆炸是核能不可控的瞬间释放，虽然只有0.1~0.7%的质能释放，却这么惊人，比普通炸药厉害多了，可见质量转化为能量的威力。现在人类已经掌握了核裂变的可控释放，这样就可以利用核能造福人类了，如核电站等。

但核裂变一是污染风险大，二是质能转化率远远没有核聚变高，三是原材料储量和开发比核聚变差远了。因此，开发出可控核聚变，是人类已经追求了几十年的重大目标。但迄今为止，核聚变还只是停留在氢弹“轰”的一下不可控阶段，可控缓慢释放能量的核聚变利用还在试验中。有专家预测，大概还需要30年左右，可控核聚变才有可能推上商业运用。

现在世界各国，尤其是发达国家，都在下大力气攻关可控核聚变，但进展一直都很缓慢。经过几十年的努力，现在人类已经能够通过实验装置，已经实现了将核聚变的超高温等离子体约束在装置内，并从开始的能量输入大于输出实现了输出大于输入。在这方面，中国走在了世界前列，中科院合肥研究院的全超导托卡马克装置进行的实验，创造了1.2亿度状态下稳定运行101秒的记录。

即便是世界前列，也才101秒，可见未来的路还有多艰难，还有多长。

可控核聚变实现的难点

所谓可控核聚变俗称人造小太阳。这种叫法引起过许多人的误解，以为所谓“人造小太阳”就是造出一个外观像太阳，放射出耀眼光芒的球体。其实不是这样，之所以叫做“人造小太阳”，是因为核聚变的内在运行机制是模仿太阳核心的氢核聚变。

太阳之所以源源不断地发出光和热，就是中心一直在不停进行着氢核聚变，每秒钟有420万吨的质量转化为巨大能量，以电磁辐射的方式释放到太空，我们地球也能够分得一杯羹，这杯羹是太阳总能量的22亿分之一。

可控核聚变的最大难点就是实现对高温等离子体的控制，这种控制一是要约束住它，不让其到处乱跑；二是要能维持源源不断的聚变反应。要实现这个目标，首先就要解决容器问题，用什么容器和方法能够盛装核聚变的高温等离子体。

太阳核聚变是在3000亿个大气压强和1500万度高温下，几十亿年来持续不断进行的。而人类在地球上无法得到这么高的压力，就只能从温度提升上做文章。

因此在地球环境下要实现可控核聚变，让这个聚变源源不断的进行，核聚变等离子体的温度就要达到1亿度以上。从目前的技术来看，人类制造出1亿度高温已经不成问题，但问题是这团亿度高温之火用什么容器来装住让它不要乱跑呢？

我们地球所有的材料没有能够耐受1亿度高温的。已知熔点最高的物质是铪合金，熔点可达4215℃；其次是单质碳，熔点在3500℃以上；熔点最高的单质金属是钨，熔点为3410℃。由此可见，地球物质耐高温的能力太弱了，连1万度都耐不了，别说耐1万个1万度的1亿度了。

不管用何种物质做核聚变装置的内胆，都无法装住核聚变的火焰。当然这只是常人的眼光，科学家可不是常人，他们熟知并能应用几百年来的科学发现和发明，找到了束缚核聚变高温等离子体这匹野马的方法，而且还不止一种。

这就是磁约束、重力约束、惯性约束。太阳就是依靠重力约束，巨大质量的压力，将核聚变控制在核心进行；而地球没有这么大的重力，人类也没有能力制造这么巨大的压力，只能采取其他约束 办法。

现在普遍采用的是磁约束，就是通过制造一个磁场，将核聚变的等离子体中带电粒子约束在装置中心，不让它接触内壁和任何零部件，这种装置主要有托卡马克和仿星器装置。

这样，核聚变反应就能够控制在容器中进行了。但理论与实践是有距离的，当前需要解决的是能够约束和持续稳定运行多久的问题，能够转化出多大的能量的问题。

可控核聚变前景

为什么人类对可控核聚变这么重视和期待呢？主要是因为有两大无可比拟的优势：一是核聚变所需原料储量充足，二是核聚变是一个最清洁环保的能源，几乎没有任何污染。因此如果核聚变成为人类的主要能源后，什么碳排放等发展与破坏难以解决的矛盾就都不是事了。

现在核聚变采用的原料主要是重氢，就是氢的同位素氘和氚，这种原料在海水中储量丰富，1升海水就含有0.03g的氘，这一点点氘通过核聚变释放的能量相当300升汽油，而全球海水中储存的氘就有45万亿吨，相当4.5*10^19吨汽油燃烧释放的能量。

世界石油总储量只有约2500亿吨，海水中氘的储量所能转化能量是石油储量的1.8亿倍。现在1年使用中开采量约50亿吨，现有储量只能开采50年，而用氘替代可用9亿年。

而且，除了海水，地球其他资源中也还富含氘和氚。未来，人们还可以到月球上采集氦-3矿藏，氦-3是比氘和氚更进一步更优质的核聚变材料，月球上储量丰富，可以供人类使用1万年。因此，可控核聚变成功推上商业化运用，人类将抛弃长期悬挂在头顶的能源危机帽子，轻装上阵。

未来，可控核聚变可广泛用于发电、运输、航空、航天，将会推动人类文明的升级。有人认为，核聚变利用将是人类进入核能时代和宇宙一级文明的标志，到了那时，只要携带很少的核燃料，就可以深空航行，飞得更快更远。

但核聚变不是人类能源开发利用的终点

从前面说的来看，核聚变可以让人类文明提升到一级水平。所谓一级文明水平，根据卡尔达舍夫宇宙三级文明理论，是宇宙最低一级文明，也叫做母星文明。作为人类，达到一级文明，就是能够完全掌控地球了。

一些科学家认为，人类文明现在还处于0.73级左右的阶段，要实现一级文明，还需要奋斗200年，而可控核聚变能源的利用，就是要达到一级文明的前提条件。

卡尔达舍夫三级文明理论认为，文明升级的主要度标是能量的使用量。现在人类能量使用总量约2*10^13W/s（瓦/秒），达到一级文明需要使用的能量要达到1.74*10^17W/s，还需要增加8700倍。0.73级到1级还相差0.27级，也就是27个0.01点，8700倍开27次方，我们可以计算出每升级0.01级文明，能量需求增长约1.4倍。

而要达到二级文明，还相差1.27级，也就是127个0.01，根据1.4倍的127次方计算，人类要达到二级文明，能量使用总量还需要增加3万多亿倍。从这样庞大的能量增长天文数字，我们可以看出，仅靠核聚变能量来获得升到文明二级的能量只是杯水车薪，是远远不够的。

那么人类未来能源的出路在哪里呢？

出路有很多，就是寻找新的能源，最终的目标就是最大限度获取太阳能源。我们知道，太阳每秒钟有420万吨的质量转化为能量，根据质能方程就是每秒钟释放出3.78*10^26W/s能量，地球可以从这些能量中接受到22亿分之一，就是1.74*10^17W/s。

其实这就是一级文明和二级文明的能量度标，也就是达到一级文明，消耗的能量要达到地球接受太阳总能量；达到二级文明，消耗的能量相当太阳辐射总能量。因此，核聚变能源利用只能够让人类升级到一级文明，而要达到二级文明，就是把地球全部榨干了，也无法满足这种能量需求。

那么未来的能量来自哪里呢？我想首先是人类通过对自然规律更深层次的认识，在质能转换效率上有更大突破。人类现在质能转换获得的最大效率是核聚变，只占到质能转化率的0.7%，而反物质湮灭可以实现质量100%的能量转化。

那么在这0.7%到100%中间还有99.3%的质能转化率，人们还没有找到任何转换方法，未来有没有可能取得重大突破呢？如果能够达到2%以上，甚至50%以上的质能转化利用率，那能源利用的前景就更广阔了。

但人类最终的能量来源还是要依靠我们的母恒星~太阳，如果能够把太阳源源不断的辐射收集起来，别让它浪费了，就能够得到实现二级文明的能量了。

戴森球是人类在太阳系的最终能源

戴森球理论是上世纪60年代，美国著名物理学家，爱因斯坦曾经的助手弗里曼·戴森提出来的。这个理论的主要内容是任何文明发展到一定阶段，都必须建设一个巨大的球状壳体，将自己母恒星包裹起来，让恒星巨大能量全部为文明发展所用。这是宇宙一切文明升为二级的必由之路，也是人类文明升级的必由之路。

科学家们经过计算，人类建造的戴森球半径应该在地球轨道左右，也就是以太阳为中心，制造一个半径约1.5亿千米的球体，将太阳包裹起来。科学家们经过测算，要建设一个这么巨大的球体，需要拆解整个太阳系所有的行星，甚至连尘埃气体也不放过，这个壳体的厚度还只有几十厘米。

未来的人类将再也没有地球，而是寄居在戴森球壳体附属的太空城中，并且依赖汲取太阳的巨大能量，不断飞往深空进行星际移民。

这个伟大的构想在许多人看来，实在很是荒唐，有些像痴人说梦。但许多科学家相信，这将是人类在太阳系的最后时光最终出路，而且有的科学家对这种工程进行了可行性研究，认为完全可行。现在科学界一般认为，人类要达到一级文明还需要200年，要达到二级文明还需要5000年。

过去，有过很多当时认为是天方夜谭的事情，过了一些年就成为很普通的现实。就如早几十年，人们连做梦都想不到手机会成为人人必备，可以与地球任何地方的人们视频聊天已经成为常态。因此在未来几百年，甚至几千年，人类做成戴森球有什么稀奇的呢？我坚信这一点，而且只有太阳巨大能量，才是人类最终走出太阳系最可靠的来源。

今天就说到这，最近关于质能方程和能量的事情已经说了很多，可能本文有些并没有细讲，朋友们如果要深入了解，可以查阅一下前面发的问答和文章。欢迎讨论，感谢阅读。

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