出品：科普中國
製作：卜語嫣 劉曉瑩 呂明軒
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
去年年底，我國"人造太陽"獲重大突破，EAST裝置實現了一億攝氏度等離子體運行等多項重大突破，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需的物理條件。座標安徽中科院物質科學研究院的"人造太陽"項目沉寂多日，再次強勢迴歸大眾視野。正如外媒報道所說，中國正一步步邁向人類最狂野的能源夢想。
（圖片來源：新華社新聞客戶端）
何為"人造太陽"？
"人造太陽"有著和恆星太陽相同的核聚變原理。核聚變是指在一定條件下，質量較輕的原子核發生聚合生成質量較重的原子核，這一過程又稱為熱核反應。
△（圖為聚變粒子示意圖，圖片來源：https://gss3.bdstatic.com）
想要在地球上實現核聚變不是件容易的事情。首先，要使核聚變反應的燃料處於等離子體態。等離子體是一種充分電離的、整體呈電中性的氣體。其次，熱核反應，顧名思義，需要很高的溫度。高溫能夠使等離子體中的電子獲得能量從而擺脫原子核的束縛，實現原子核的完全裸露，為原子核的碰撞做好準備。此外，要想讓這種聚變反應穩定、持續的進行還需要足夠的密度和熱能來約束時間。
等離子體的溫度、密度和熱能三者的乘積稱為"聚變三重積"，當它達到10的22次方時，聚變反應輸出的功率才能與為驅動這一反應而輸入的功率相等。只有"聚變三重積"超過10的22次方時，聚變反應才能自持進行。可想而知，實現聚變三重積中的任意一個條件都要付出極大的代價和努力。
△（圖為聚變三重積函數圖，圖片來源：Dstrozzi - Own work, CC BY-SA 3.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12380921）
執著於發展核聚變是為什麼？
你可能會好奇，我們已經很好地掌握了核裂變，為什麼還有如此堅定執著地追逐核聚變的腳步？其實，雖然裂變技術相對簡單，但其燃料往往很難獲得（例如鈾等錒系元素一般產生於中子星合併過程，因此儲量十分有限。）此外，裂變產物中往往存在著大量的長半衰期放射性物質，因此核廢料需要特殊處理以避免放射性汙染。這些問題都限制了裂變堆的潛力。而與核裂變有著相反核反應形式的核聚變卻有著兩大好處：不僅燃料量大管飽，還乾淨衛生。
地球上聚變燃料的儲量非常大。用愛因斯坦的公式計算，一升海水可提煉出1/6克的氘，而地球上的海水所能提煉出來的氘可以讓一千個聚變電站使用上百億年。至於氚，雖然少，實際聚變過程中卻並不被淨消耗，而是以類似催化劑的形式循環利用。
而且，聚變的產物基本上是穩定的同位素，無輻射汙染。少量的中子輻照帶來的活化也很好處理，基本上可以認為是一種無汙染的能源。
然而，在人們驚喜於核聚變能帶來的種種好處時，我們必須意識到更重要的一點：這些好處的實現需要可控核聚變作為前提。人類早已實現非可控聚變，那兩枚投向日本的原子彈為人類帶來的並不是福音，而是那聲令人沉思的深深嘆息。非可控聚變就像雷電一樣，如此巨大的能量只能破壞而不能利用實在可惜。
怎麼約束聚變反應？
目前，可控核聚變理論模型主要有三種：重力約束、慣性約束、磁約束。而國際上主流研究方向則是磁約束。磁約束利用強磁場約束帶電粒子，大幅度地減小帶電粒子橫越磁力線擴散和導熱的特性，使處在磁場中的高溫等離子體的芯部與容器的器壁隔離開，構造反應腔，從而實現將聚變材料加熱至數億攝氏度高溫的技術要求，進行聚變反應。
目前性能最好的一種磁約束裝置便是託卡馬克裝置tokamak，俄文原意為"環流器"，它的名字來源於（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈(kotushka）,而這個了不起的"麵包圈"的組成正如名字所包含的那樣，主要包括磁體（環向場磁體及極向場磁體）、真空室及其抽氣系統、供電系統，以及控制系統（裝置控制和等離子體控制）、加熱與電流驅動系統（中性束和微波）、噴氣及彈丸注入系統、偏濾器及孔闌、診斷和數據採集與處理系統、包層系統、氚系統、輻射防護系統、遙控操作與維修系統等部件（子系統）。
△（圖為託卡馬克裝置示意圖，圖片來源：http://www.ipp.ac.cn/dakexuegongcheng/east/201010/W020110119680511208494.gif）
我國的EAST裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）全稱為"全超導託卡馬克核聚變實驗裝置"，是中科院等離子體所自主設計研製的磁約束核聚變裝置， 2017年達成101.2 秒穩態長脈衝高約束等離子體運行記錄，2018年達成1億攝氏度等離子放電運行成就。
一億攝氏度！什麼概念？
比太陽還要火熱的不是戀人之間的愛情，也不是夏日墨西哥女郎紅裙的風采，是我們的"人造太陽"！太陽中心溫度約為兩千萬攝氏度，一億度的"人造太陽"將近它的五倍。
看到這裡，相信不少人都要發問，這麼高的溫度，即使磁約束裝置已經使等離子體不接觸容器壁，但散發的熱量難道不會把線圈熔化嗎？
有關溫度，我們澄清一個誤解:科學溫度計算法和我們生活有很大不同。4萬億度的極少量物質並不危險。如果水溫達到50多度，我們就會感覺很燙;但在氣霧加熱室80多度的空間中，我們連熱都感覺不到。這是因為空氣中的高溫粒子與我們皮膚接觸量少之又少。兩者粒子量相差上萬倍。
還有一個更極端的例子:在距離太陽系2億光年的scne4623星雲中，溫度可達4億度。但由於原子含量只有兩千萬分之一/立方厘米，所以我們在其中根本不會感覺熱。同樣的，加速器中的粒子也不會融化線圈。
△（圖為部分天體赫羅圖，橫軸為溫度，圖片來源：ESO - https://www.eso.org/public/images/eso0728c/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19915788）
去年，我國的嫦娥四號發射升空，俄羅斯啟動載人奔月計劃，美國也在太空軍的建立部署上有所動作。而掌握可控聚變能源是進軍外太空不得不解鎖的技能。《三體》中描述未來："從此以後，能源不再是什麼需要珍惜的東西了。"這是我們最狂野的能源夢想。
在此我們向那些在開闢能源新紀元領域上下求索、"夸父逐日"的科學家們致敬！
