不久前，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），创造了一项新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将原来的1亿摄氏度运行20秒纪录延长5倍。新纪录进一步证明了核聚变能源的可行性，也是向核聚变能源应用迈出的重要一步。

可控核聚变：新能源之王

——简谈第四次工业革命核心科技之新能源之王：可控核聚变

文/陈思进

我在《石墨烯：未来极具潜力的新材料》（《科普时报》2021年07月02日第02版首发：https://www.toutiao.com/i6980269002119528964/ ）一文中，简谈了第四次工业革命核心科技新材料之王——石墨烯，在此文中，再来谈一下新能源之王：可控核聚变。

我曾在《漫谈“卡尔达肖夫文明指数”（上）》（《科普时报》2020年04月17日第03版首发）的文章中提及，前苏联天体物理学家尼古拉·卡尔达肖夫认为，宇宙中的一些文明可能比我们领先几百万年、甚至几十亿年。1964年，在观测了类星体CTA-102之后，根据一个文明所能够利用的能源量级，他提出了卡尔达肖夫指数（Kardashev Scale）——一种量度文明层次及技术先进程度的假说。

在这个分类体系中，卡尔达肖夫认为：从整体来看，一个文明主要取决于两样东西：能源和科技。能源是发展科技的前提，一个文明产生的能源越多，他们的科技就越发达，所有的文明发展都需要利用能源。

而根据能源消耗，可以用来假设和衡量潜在的文明水平。据此，卡尔达肖夫最初提出用能量级把文明分成三个量级：I型、II型和III型（之后，科学家根据这个模型，将其扩充到七级），即卡尔达肖夫指数，其中，I型文明使用在它的故乡行星所有可用的能量，一般认为目前人类正处于这个文明阶段；II型文明（或称行星文明）可以使用和存储所在行星上的所有可用资源，巧妙地驾驭整个世界的能量输出，要达到这一级的文明，至少要掌握可控核聚变技术。

先来简述一下人类研究核聚变的历史吧。

科学家很早就发现核能主要有裂变能和聚变能两种形式。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，称为核裂变，比如原子弹和核电站的巨大能量来源。一千克铀-235，能够产生2万兆瓦小时能量，相当于燃烧2000吨煤所释放的能量。但是核裂变有很大的劣势，比如原料稀有、产生放射性难以弱化的核废料，而且还可能产生核泄漏，如切尔诺贝利。

与其相反，如果是由较轻的原子核变化为较重的原子核，则称为核聚变。人们常说，万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生核聚变，为大自然带来最普遍的能量来源。

1920年，亚瑟·爱丁顿提出氢氦聚变可能是恒星能量的主要来源。在卢瑟福的核嬗变实验基础上，马克·奥利芬特于1932年完成了氢同位素的实验室聚变。1930年代，汉斯·贝特提出了恒星核聚变主循环的理论。1940年代初，作为曼哈顿计划的一部分，用于军事目的的核聚变开始被研究。1951年，在核试验中完成了核聚变。1952年11月1日，在常春藤麦克氢弹试验中首次进行了大规模核聚变。

之后，科学家发现了这种核聚变能具有很多优点，可能成为人类未来理想的无限的清洁安全能源，便开始研究用于民用目的的受控核聚变。

言归正传。核聚变是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核，以及一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。在此核聚变过程中，物质并没有守恒，而是根据爱因斯坦的质能方程E = mc²，一部分正在聚变的原子核的物质，被转化为巨大能量的释放。

视觉中国供图

在自然界中，最容易实现聚变反应的是氢的同位素——氘和氚的聚变。核聚变反应堆的原理很好理解：将氘和氚的混合气体加热到等离子态，即温度高的能使电子脱离原子核的束缚，让氘原子核和氚原子核自由运动，并发生直接接触，便能产生新的氦核和新的中子，并释放出巨大的能量。经过一段时间，反应体就不需要外来能源的加热了，核聚变的温度已足够使原子核继续发生聚变。在这个过程中，只要将氦原子核和中子及时排除，输入新的氘和氚的混合气体到反应体，核聚变就能不断地持续下去，将产生的能量一小部分留在反应体内，维持链式反应，其他大部分就可以输出，作为能源来使用了。

在地球上，核聚变的原料储量极其丰富，因为其主要燃料是存在于海水之中的氘和氚。据估算，一升海水提取的氘能产生的聚变能源，相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。如果能将海洋中的数量多达45万亿吨的氘元素，全部应用于核聚变的话，释放的能量足够人类使用几百亿年。

此外，氘和氚反应的生成物是氦气，没有放射性，对环境无害。而一旦造成反应的等离子体熄灭，聚变反应就会终止，因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。

这么优质的能源如何才能被人类获取并加以利用？

对此，科学家想到了一个好办法，就是在地球上建造一套核聚变装置，像太阳一样发生核聚变反应，从而源源不断地产生能量，这种大科学装置俗称“人造太阳”。随后，利用这种装置产生核聚变能的科学可行性，也得到了进一步的验证。

然而，要真正实现核聚变发电并不容易，根据科研人员的介绍，想实现聚变反应，首先温度要达到1亿摄氏度以上，使聚变燃料完全电离，并在保证等离子体密度的前提下，将高温等离子体维持相对足够长的时间，不泄露不逃逸，才可能释放出足够多的能量。为攻克这两大难关，几十年来，各国科学家一直在不断进行探索和实验。

未来，如果能实现“可控核聚变”，将彻底改写人类的能源版图。目前来看，托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效途径，是地球寻找聚变能源出路的希望。

我们期待早日掌握和利用核聚变，人类早日进入卡尔达肖夫的行星文明！

2021年07月09日写于多伦多安大略湖畔

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