1亿摄氏度的核燃料，用什么“炉子”装呢？带你了解人造太阳

这两天看到一则报道，位于我国合肥的“人造太阳”托卡马克装置，将于近期完成升级，之后将朝着“温度一亿摄氏度燃烧100秒”的新目标进军，切实体现了我国在受控核聚变领域，世界第一梯队的实力。

那么说到底，“人造太阳”这个名字，听着就感觉极度高大上，但到底是个啥呢？还有受控核聚变，核聚变我听说过，那么受控核聚变又是什么呢？

其实呢，人造太阳和受控核聚变是紧密相连的，你可以理解为“受控核聚变”是本质原理，人造太阳就是应用这个原理的一个人造装置，装置的全称叫做“托卡马克核聚变实验装置”，因为受控核聚变也是太阳的工作原理，因此我们又把这个托卡马克装置叫做人造太阳。

我们先从核聚变入手，谈到核聚变，想必大家的第一反应就是氢弹，比如前苏联曾经引爆过一颗5000万吨TNT当量的氢弹——沙皇炸弹，这是人类目前使用过的最大威力的核武器，但威力大归大，可是核武器也只有在战争中才会被使用，那么有没有可能让核武器释放的巨大能量服务于人类日常生产活动呢？

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于是最先研究成功并已经投入使用的就是核裂变电站了，但利用核裂变这种方式有两个弊端，一是核材料十分有限且昂贵，二是会产生具有长期放射性的核废料

于是科学家就把目光转移到核聚变身上来了，因为核聚变产能无需担心上面两点，因为原材料极其普遍且廉价，其次纯粹的核聚变是不会产生长期放射性核废料的

我们来看原材料，主要有两个：氢同位素——氘，这个氘呢，其实就是普通的氢原子核里面多了一个中子；还有一个就是锂

其中氘的来源就是海水，大概每升海水含有30毫克氘，虽然听上去很少，但奈何我们地球的海水储量足够大啊，因此算下来，海水中含有的氘，足足有40万亿吨，而地球上锂的储备也足足有2000多亿吨（其实海水里就有氯化锂可供使用）

所以这是一个什么概念呢？也就是说这些原料，按照目前的能源消耗水平，足够人类使用一百亿年了！

而我们知道，太阳的寿命将会在50亿年后终结，届时地球也会被膨胀的太阳所吞噬，因此可以这样说，对人类来讲，核聚变的原料是取之不尽用之不竭的。

话虽如此，原料充足并不意味着核聚变就是那么好利用的，像氢弹那样一次性的爆发式能量对人类没有用处只有危害，所以我们得想办法让核聚变能量释放过程慢下来，慢到足够我们处理这些能量，也就是前面所讲的受控核聚变。

因此我们必须知道核聚变这个过程到底是如何发生的，其实回顾核能研究史，核聚变概念的出现甚至是早于核裂变的，如果不追究细节的话，其实在上世纪二十年代，英国物理学家亚瑟爱丁顿为破解太阳燃烧之谜，就提出了核聚变的概念

不过真正意义上从实验证实的，还是1939年由汉斯贝特完成的，成功证实了氘、氚两个原子核加速撞击后，形成了一个氦核和一个中子，并且释放了17.6兆电子伏特的能量。

并且汉斯贝特还正式解释了太阳内部核聚变的反应过程，也就是所谓的质子质子链反应，太阳内部主要的聚变形式，是四个质子经过一系列过程最终形成氦核，并且这个过程中会释放相当可观的能量。

不过这种聚变方式很难在地球实现，因为这依靠的是恒星特有的引力约束模式，也就是说大质量的前提下，太阳中心温度为1500万摄氏度、压强相当于2500亿个标准大气压，由此太阳中心密度是水密度的150倍，之后再通过量子隧穿效应的帮助，使得太阳能够持续稳定地燃烧起来，这个过程还将持续50亿年，那么总结下来就是四个字：高温高压

但这些要求呢，本质上都是为了提高氢核能相互撞击的概率，高温是负责克服电磁力，因为同性相斥，所以两个氢核必须要有强大的动能，才能靠的很近，最后通过强核力捕获维持在一起

而高压则是两个方面的表现，密度和约束时长，其实也很好理解，密度就是单位体积内粒子数量，约束时长也就是把它们放到一起的时长，很显然，这二者越高越有利于撞击融合发生。

因此我们唯有想办法在温度、密度以及约束时间上办法做文章，因此在1957年，英国物理学家劳森通过研究，给出了一个判断标准，想要完成自持式的聚变燃烧，那么温度、密度、约束时长，这三者的乘积必须大于某一特定值才行，这就是所谓的劳森判据！如此一来，才能叫做受控核聚变点火成功。

这里再简单说一个什么是自持式聚变，比方说我把一堆木柴放到一块，然后浇点油，最后点个火，这堆木柴就能一直燃烧殆尽，这个过程中我们只需要点一个火就可以了，接下来的然燃烧都是靠木柴自己完成，释放热量维持温度。

而受控核聚变也应如此，我们将核原料放到一起，加把火，给它们热起来发生核聚变，然后就通过它们自己产热来维持聚变的不断发生，我们只需要不断加新原料，排出废料就行了，这就达到了自持式状态，此外如果这个过程产出的能量能够大于输入的能量，那么就算是达到了可行性要求。

但是还有个关键问题，科学家们发现想要在地球上实现受控核聚变，反应所需要的温度需要上亿摄氏度才行，而如此高温的一团核原料，我该用什么炉子去装它呢？

聪明的苏联人想到了解决办法，首先这么高的温度，核原料早已成为等离子体了，也就是原子核和电子处于完全分离状态，那不就是带电粒子么，那我们用磁场来约束它们好了呀！

让它们处于一个环形磁场中，在里面不断绕圈，但又不直接接触炉壁，这样一样，热传递的三种形式，就直接排除热传导和热对流，只剩下热辐射了，这样一来对于炉子的材料要求就降低了。

于是第一个人造太阳装置，也就是托卡马克装置就在上世纪五十年代被造出来了。开头看似很顺利，但之后的过程则是相当艰辛，因为那时候科学家们发现，我要维持炉子燃烧的状态，消耗的能量竟然大于产出的能量，这不是赔本买卖吗？但好在它还是有能量产出的，于是往后的几十年里，就一直都在想办法让买卖做到稳赚不赔，而且庆幸的是，人类似乎押对宝了，受控核聚变离真正投入使用的时间似乎也越来越近了。

咱们今天聊得已经够多了，不过这个人造太阳受控核聚变还有挺多方面没细讲的，此外中途提到的人类研究太阳核聚变也是一段波澜壮阔的历程，咱们也能仔细聊聊，等下次吧。

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