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今年初，中科院在合肥的人造小太陽實驗裝置又傳(chuan) 捷報：實現了長脈衝(chong) 高參數運行1056秒，突破了自己一再突破的世界紀錄，走在了世界前列。

人造小太陽不是人為(wei) 製造出一個(ge) 小太陽來照亮人間，而是利用太陽內(nei) 部能量產(chan) 生機製，在地球上製造和利用能量的一種方式，真正的科學名稱叫“可控核聚變”。為(wei) 了獲取這種可能改變人類文明進程的能量，人類已經不遺餘(yu) 力不惜代價(jia) 地奮鬥了幾十年。

不過我要在這裏潑點冷水：迄今為(wei) 止，太陽每天都光芒萬(wan) 丈地照耀著太陽係，人造小太陽迄今為(wei) 止還依然無法點亮一盞燈。

人類為(wei) 啥要不遺餘(yu) 力地研究可控核聚變呢？

愛因斯坦在100年前發現了質能方程這個(ge) 奧秘，人類對物質質量和能量的關(guan) 係認識有了巨大突破，知道了質量和能量是等價(jia) 互換的，任何物質中都蘊含著巨大的能量，隻要能夠將其中的能量釋放出來，就驚天動地。

質能方程公式為(wei) ：E=MC^2。這裏E表示能量，M表示任何物質的質量，C表示光速。其中的意義(yi) 就是，隻要將1kg（千克或公斤）的物質轉化為(wei) 能量，就能夠得到9*10^16J（焦耳）的能量，這個(ge) 能量相當於(yu) 250億(yi) 度電。

但要將物質裏的能量轉化出來非常困難，燃燒等辦法隻能停留在化學反應層麵，質能轉化率是非常低的。如煤燃燒得到的熱能隻相當於(yu) 質能轉化率的30億(yi) 分之一，石油原油燃燒則約22億(yi) 分之一。

核聚變是人類迄今為(wei) 止，發現能得到最大質能轉化的方式，質能轉化率可達約千分之七。太陽核心源源不斷的能源輻射，就是核聚變釋放出來的。這個(ge) 過程是4個(ge) 氫原子核，融合成1個(ge) 氦原子核的過程。

4個(ge) 氫原子核的原子量合計為(wei) 4.03136，1個(ge) 氦原子核的原子量為(wei) 4.0026，我們(men) 可以看出核聚變後原子量少了0.0294，約占原子量損失的0.718%。這樣，1公斤氫核聚變的質量損失就達到7.18克。

這些虧(kui) 損的質量哪裏去了呢？根據愛因斯坦的質能轉化理論，這些質量就轉化為(wei) 能量輻射出來。太陽每秒鍾有6億(yi) 噸的氫參與(yu) 核聚變，就有約430萬(wan) 噸的質量損失轉化為(wei) 能量輻射到太空，這個(ge) 能量就有3.87*10^26J，相當於(yu) 1萬(wan) 億(yi) 億(yi) 度電。

太陽已經這樣燃燒了50億(yi) 年，還可以再繼續燃燒50億(yi) 年。我們(men) 地球承接了太陽能量的22億(yi) 分之一，就得到了約1.76*10^17J/s的能量，相當於(yu) 每秒得到490億(yi) 度電能，是1000萬(wan) 座三峽大壩的發電總量。這些能量看起來很巨大，但實際上就是不到2kg物質轉化出來的能量。

人類從(cong) 恒星核聚變迸發出的巨大能量中得到啟發，如果能掌握這種能量獲得方式，將完全緩解人類文明發展進程的能源危機。因為(wei) 太陽核聚變的燃料就是氫，地球上氫是很普遍的元素，儲(chu) 量很豐(feng) 富。

水就是由氫和氧組成的，地球海水儲(chu) 量達到136億(yi) 億(yi) 噸，如果每升海水中的氫用於(yu) 核聚變燃料，其產(chan) 生的能量相當於(yu) 300升汽油。因此，如果能夠讓太陽這種核聚變方式在地球上實驗成功，人類的能源危機就在相當長時期裏不會(hui) 存在了，人類文明將進入一個(ge) 新的高速發展時期。

上世紀以來，人們(men) 就已經獲得了這種核聚變的能量，就是氫彈爆炸。但氫彈爆炸隻是一瞬間的爆發，除了用於(yu) 戰爭(zheng) 和威懾，對人類生活幾乎沒有任何幫助。如何將這種力量控製住，讓它像太陽一樣緩慢釋放呢？這就是人類不遺餘(yu) 力研究開發可控核聚變技術的內(nei) 在動因。

可控核聚變的難點

太陽本身就是一個(ge) 巨大球狀的高溫等離子體(ti) ，這個(ge) 等離子體(ti) 是由於(yu) 核心核聚變不斷釋放出能量，通過輻射和對流源源不斷傳(chuan) 遞到表麵，然後釋放到太空的過程。所有和太陽一樣的恒星，能量產(chan) 生的機製都是一樣的。

萬(wan) 有引力會(hui) 將一切巨大質量的天體(ti) 拉拽成球形，並不斷向核心收縮。太陽的質量約為(wei) 2*10^30kg，這種巨大質量的向心收縮壓力，給太陽核心造成了3000億(yi) 個(ge) 大氣壓力和1500萬(wan) 度的高溫，這樣就點燃了太陽的核聚變，而且會(hui) 持續不斷的進行。

核聚變的巨大輻射壓抵禦住了質量導致的引力收縮壓，形成了一個(ge) 平衡，這就是太陽的主序星階段，這個(ge) 階段可以維持100億(yi) 年左右。而太陽核心的核聚變是在巨大引力收縮壓的束縛下持續不斷進行的，這種核聚變束縛方式叫重力約束。

正是這種巨大壓力和高溫的結合，讓太陽核心的氫原子被剝去了外層電子，裸露出原子核，原子核與(yu) 原子核的不斷碰撞融合，才形成了持續不斷的核聚變。人們(men) 想在地球上模仿太陽的核聚變，是無法製造出這麽(me) 巨大的壓力的。地球最大壓力在地核，那裏的壓力也隻有360萬(wan) 個(ge) 大氣壓，隻有太陽核心壓力的約10萬(wan) 分之一，怎麽(me) 來讓氫裸露出原子核呢？

隻有提升溫度，將反應溫度提升到1億(yi) 攝氏度，氫的核外電子就會(hui) 被剝離，氫核就能形成持續不斷的融合。這樣就出現了幾個(ge) 難以解決(jue) 的問題：一是如何能達到這種高溫；二是用什麽(me) 容器來盛裝約束這種超高溫度的火焰（等離子體(ti) ）；三是怎樣讓這種高溫發出電來。

要知道，我們(men) 地球所有物質能夠耐受的最高溫度也不過幾千度，現在已知能夠耐受最高溫度的單質金屬為(wei) 鎢，熔點為(wei) 3410℃，耐受最高溫度的合金為(wei) 鉿合金，熔點為(wei) 4215℃，而1億(yi) ℃是鉿合金熔點的2.3萬(wan) 倍。

太陽是依靠重力將核聚變反應的高溫壓縮在半徑1/4的範圍內(nei) ，地球上用什麽(me) 辦法將核聚變1億(yi) 度高溫控製在一個(ge) 容器裏呢？已經發現的118種元素都不可能做到這一點，科學家們(men) 經過反複試驗和研究，找到了非物質方法，這就是磁約束和慣性約束。

現在普遍采用的是磁約束（今天不講慣性約束）。

所謂磁約束，是因為(wei) 等離子體(ti) 都帶電，對磁場會(hui) 產(chan) 生相互作用，科學家們(men) 就采用這種物理學原理，用能量製造出一個(ge) 磁場陷阱，將高溫等離子體(ti) 約束在磁場形成的一個(ge) 環形阱中。這就像一個(ge) 四麵不靠的籠子，讓核聚變形成的高溫等離子體(ti) 在這個(ge) 籠子裏，與(yu) 設備的任何部件和內(nei) 壁都不挨著。

但要做到這一點是很難的，尤其是讓這種高溫等離子體(ti) 約束得長久一點就更難。所謂約束了多少秒，就是這些實驗的不斷提升和突破。

但即能夠製造出高溫等離子體(ti) ，並且能夠把它們(men) 約束起來，並不等於(yu) 就是得到了核聚變能源的利用，這還隻是萬(wan) 裏長征第一步。因為(wei) 要製造核聚變高溫和束縛高溫等離子體(ti) 的磁阱，需要輸入大量能量，如何讓輸出能量大於(yu) 輸入能量，並且將被束縛的核聚變能量傳(chuan) 導出來用於(yu) 發電，還是很難的課題。

中國走在世界前列的指標有哪些？

中國研究核聚變的機構設立在合肥，正式的名稱為(wei) “中國科學院合肥物質科學研究院”。這裏有一台具有中國自主星空体育官网入口网站產(chan) 權的裝置，叫非圓截麵全超導托卡馬克實驗裝置，簡稱EAST，目前處於(yu) 世界領先地位。

這個(ge) 裝置確立了三大目標：1兆安等離子體(ti) 電流，1億(yi) 度高溫等離子體(ti) ，1000秒運行時間。

現在已經分階段達到的成果是：2012年獲得411秒2000萬(wan) ℃高參數偏濾器等離子體(ti) ；2017年實現穩態長脈衝(chong) 高約束等離子體(ti) ，在5000萬(wan) ℃條件下運行101.2秒；2018年，等離子體(ti) 中心電子溫度首次達到1億(yi) ℃；2020年，在1億(yi) ℃高溫下維持運行10秒，2021年上半年將這個(ge) 時間延長到101秒，而且溫度提升到1.2億(yi) ℃。

2021年12月30日，也就是前兩(liang) 天，實現了在近7000萬(wan) ℃長脈衝(chong) 高參數等離子體(ti) 條件下，維持運行1056秒，注入能量達到1.73吉焦。至此，EAST累計放電次數超過10萬(wan) 次，實現了1兆安等離子體(ti) 電流，1億(yi) 攝氏度高溫等離子體(ti) 約束，1000秒運行時間的三大科學條件。

據有關(guan) 方麵宣稱，實驗解決(jue) 了三大科學難題：完全非感應電流驅動、再循環與(yu) 雜質控製、熱與(yu) 粒子排出等問題。這些都是很專(zhuan) 業(ye) 的術語，作為(wei) 一般性的科普，我們(men) 就不去深究了。

從(cong) 我國在可控核聚變研究領域的不斷突破，我們(men) 可以看到中國的科技實力的增長，也可以領悟出可控核聚變研究的艱難：現在整個(ge) 推進還是在以“秒”計算，未來的路還任重道遠。

提升輸出能量比是需要突破的最關(guan) 鍵難點和重點

在對核聚變等離子體(ti) 有效約束突破的基礎上，如何讓核聚變的能量從(cong) 磁阱中傳(chuan) 導出來，推上民用，將是未來可控核聚變研究的難點和重點。

這其中最重要的指標就是輸入能量和輸出能量之比，稱為(wei) Q值。Q值指標有兩(liang) 種，一種是QP，是指點火所需能量與(yu) 輸出能量的比值；一種是QT，是指整個(ge) 裝置輸入能量與(yu) 輸出能量的比值，這兩(liang) 個(ge) 比值相差是很大的。

如在實驗中，整體(ti) 輸入能量是400MW，用於(yu) 點火的能量隻有50MW，輸出能量為(wei) 250MW。這樣QP值就是Q=5，表明輸出能量是輸入能量的5倍，看似不錯了。但實際QT值隻有0.625，能量還是入大於(yu) 出，沒有商用價(jia) 值。

有些實驗數據沒有披露QP值和QT值，因此到底達到一個(ge) 什麽(me) 水平，不得而知。據可以查到的一些資料，目前世界上Q值比較高的可控核聚變實驗有英國JET，Q值≈0.67，日本JT-60實驗的Q值理論上達到了1.25，但據稱隻是理論值，在實際中很難實現，後來JT-60也拆掉了。

從(cong) 我國披露的磁約核聚變發展路線圖來看，計劃在2025年實現3000秒穩態長脈衝(chong) 等離子體(ti) ，Q值=5；2030年實現等離子體(ti) 穩態燃燒，Q值＞10；2050年實現並網發電。這個(ge) 預期中的Q值指的是哪種Q值，沒有說明。

一些研究認為(wei) ，由於(yu) 可控核聚變能量在輸出傳(chuan) 遞和轉換過程中，各種功率損耗很大，一般Q值要達到30才具有商用價(jia) 值，同時還要有完善的氚循環回路，以及合格的抗輻射材料，這些研究都還需要時日。

由此可見，可控核聚變的研究還是“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。但中國的科學家們(men) 信心滿滿，他們(men) 的目標隻有一個(ge) ：讓核聚變能的第一盞燈在中國點亮。

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