小原子爆发大能量：人造太阳可以带来无限能源，还能承受上亿度高温！

近日，中科院合肥物质科学研究院成功研制出了“校正场线圈”，据悉，这是国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)计划的核心部件之一。该部件也将立即运送至ITER实验现场，以确保实验按计划进行。

这则消息提到的ITER是目前世界上仅次于国际空间站的又一国际大科学工程计划，世界上最大的磁约束等离子体物理学实验。该项目在上个世纪八十年代就已经提出，该项目目前已经有35个成员，中国也是其中之一。ITER项目的装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克，俗称“人造太阳”。

该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

ITER示意图

可控核聚变，人类未来能源所在。

核能利用包括裂变能和聚变能两种形式。

核裂变又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化，不过，也不是所有原子核都可以裂变，只有一些质量非常大的原子核像铀、钍和钚等才能发生核裂变。

虽然裂变已经实现商业化(核电站)，但是由于铀等金属在地球上含量较少，加之裂变产生的核废料具有很强的放射性，所以其无法作为人类未来可靠的能量来源。

于是，人类将目光投向了核聚变。

核聚变是指将两个较轻的原子核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反应形式。在这个融合过程中，产生了质量耗损但却能释放出巨大的能量。氢弹爆炸和太阳能量都是通过聚变实现的。

氘(dāo)核与氚(chuān)核是核聚变的最佳燃料，两者都是都是氢的同位素(同一种元素，原子核质子数相同，中子数不同)。

之所以说氘和氚是最佳材料，是因为氢是最轻元素，其质子的数量也是最少的。由于质子带有正电子，所以质子越多，在原子核合并的过程中的互斥力就越大（正电荷相斥）。

其中氘也被称为重氢，原子核中有1个质子和1个中子，氢中有0.02%的氘。常温下，氘是一种无色、无味、无毒无害的可燃性气体。

氚被称作超重氢，原子核中有1个质子和2个中子。氚有放射性，会发生衰变(指放射性元素放射出粒子而转变为另一种元素的过程)，衰变会释放出氦3，这种元素无毒，不燃烧，不过会导致窒息。相对于铀的放射性，还是比较安全的。

氘和氚的聚变反应方程式为：

具体可以解读为，一氘原子和氚原子发生聚变，产生氦4+和一个中子，并释放17.6MeV的能量，1MeV等于1.67x10^-13焦耳。这个说法可能还不直观，这么说吧，1克氘氚混合气体可以产生10万度电，约相当于30吨煤炭的能量。

实现可控核聚变的难度很大，对技术的要求很高。自然状态下，氘核与氚核的混合态不会产生核聚变，必须满足一定条件，如超高温和高压。太阳的中心温度“只有”1500摄氏度。像这样的“低温”按道理来说是无法产生核聚变的，不过其内部的高压弥补了这一点。

但是很遗憾，想要实现太阳内部同等的高压，对目前来说几乎不可能，于是只能想办法实现高温。

因此，要发生核聚变，首先就必须提高物质的温度，使原子核和电子分开，这一过程叫做电离(此前电子一直围绕原子核做圆周运动)，实现电离需要达到10万摄氏度高温。处于这种状态的物质称为“等离子体”。等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。

电离后，原子核就成了“光杆司令”，但是，由于原子核带正电，同性相斥的原理使得原子核相互排斥，无法结合。为了克服这种静电斥力，原子核需要以极快的速度运行，要使原子核达到这种运行状态，就需要继续加升温，直至上亿摄氏度!

达到一定温度后，原子核就会极速运动，只要速度够快，原子核就躲避不及(就像高速行驶的车来不及避让)，当两个原子核之间互相接近至约万亿分之三毫米时，会在核力作用下相互吸引到一起，从而放出巨大的能量。

核力是一种存在与原子核尺度上的力，正是这种核力将带正电的质子束缚在原子核内部。

相对于核裂变，核聚变释放的能量更大;也不会产生高端核废料，可不对环境构成大的污染;原料丰富，海水中氘的总量约45万亿吨，氚则可由锂制造。

优势很大，难度却也不小。从上面的描述看出，聚变产生需要上亿摄氏度，同时还要保证聚变在密封空间下进行。但问题是，什么材料能耐上亿的高温呢?

别想了，不存在这种材料。

人造太阳，比太阳的温度还要高

需要说明的是，我们讨论的都是可控核聚变，人类已经实现了不可控核聚变(氢弹)。

由于不存在可以耐上亿高温的固体材料，所以科学家提出了替代方案。

第一种是激光约束核聚变，也称惯性约束核聚变。简单来说，就是通过激光束或粒子束实现高温，从而促成聚变。中国的神光计划，美国的国家点火计划都是采用的这种形式。

第二种是磁约束核聚变，就是利用强大的磁场，制造成一个封闭空间，让高温反应在这个磁场空间中进行。这一方案也是目前公认最有前途的。本文开头提到的ITER托卡马克就是采用的这种方式。

当然，实现磁约束核聚变不止这一种装置，还有仿星器、磁镜、反向场、球形环等，不过人类对托卡马克的研究是最深入的。

托卡马克(Tokamak)是一环形装置，又称环磁机，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，其名称来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)，基本上，其名字就将这个装置结构说的差不多了，当然，也没这么简单。

托卡马克的中央是一个环形的真空室(有点像轮胎或者甜甜圈)。这里以中国的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)来了解该装置的结构。

EAST 磁体系统截面图

EAST 主要结构包括主机部分和辅助系统。主机系统是整个装置的核心，主要有磁体系统和真空系统两部分。

磁体系统包含16个纵场线圈(TF)、14个极向场线圈(PF)和本文开头提到的校正场线圈，在14个极向场线圈中，6个为芯部的中心螺线管线圈，8个为外部的大线圈。

真空系统由真空室和真空泵组成，真空室又分为内、外两个，外真空室的主要作用是隔热，内真空室则是容纳用来发生核聚变反应的等离子体的容器。

除了磁体系统和真空系统，托卡马克装置包括电源系统、控制系统、加热系统、喷气及弹丸注入系统、偏滤器、孔栏、诊断系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作系统等子系统与组成部件。

工作时，托卡马克的环形和纵场线圈产生环形和纵向磁场，就像一个“铁笼”，在这个“铁笼”的核心甚至可以达到1.5亿摄氏度，这是太阳核心温度的10倍。 

在托卡马克中，用来控制等离子体的变化的磁场会产生热效应。磁场通过感应产生高强度电流，并且当该电流流过等离子体时，电子和离子被激发并发生碰撞，从而产生热量。

当然，单凭电流加热肯定是不够的，还需要辅助加热手段：中性束注入和高频电磁波。

中性束注入就是将事先加速到很高能量的离子束变成高能中性粒子束，然后再注入到等离子体中，高能中性粒子通过跟原先等离子体碰撞变成高能离子而被捕获，再经过而热化，同时将能量传递给电子和离子，达到给等离子体整体加热的目的。

这个过程相当于“火上加柴”，而且加的还是燃烧着的柴。

高频电磁波加热的原理和微波炉加热食物差不多，具体操作是将高频波射入到等离子体中，高频波所携带的能量会传递给带电粒子，从而增加其运动的速度从而提高温度。所用的高频波要与机器内部的等离子体离子和电子的频率相匹配，从而产生共振，最大程度地提高热传递。

凭借这些加热方式，温度不断升高，氘和氚的原子核就会高速运动，在真空室这样的狭小空间中，这些原子和就会在运动中发生碰撞，从而产生巨变，融合产生氦3和中子并且释放巨大能量。中子将被托卡马克的周围壁吸收，其动能将作为热量转移到壁上并最终排出。

细心的读者可能会发现上面在提到EAST时，其中文名多了“超导”两个字。这两个字来自于用以制造线圈的超导材料。这是因为一般的导电材料有电阻，使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，就不能产生足够的磁场。

超导材料虽然增大了磁场，但是其超导特性需要在低温下维持。因此，相比普通托卡马克，超导托卡马克还多了制冷部分，可以实现零下269摄氏度的超低温。要在同一个设备中同时使最低温和过亿摄氏度的高温同时存在，还需要建立超真空系统(也就是上面提到的EAST的外真空室)隔热。

可以看出，超导托卡马克的制造难度很大，目前为止，世界上有4个国家拥有大型超托卡马克装置：法国的Tore-Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。

EAST的大小和半径虽然只有ITER的1/3和1/4，但是其运行时间要早于后者，目前ITER刚开始组装，预计要到2025年才能开始等离子实验。

2016年1月28日，EAST实现了电子温度超过5千万度、持续时间达102秒的长脉冲等离子体放电，为目前世界最长。今年4月，EAST等离子体中心电子温度首次实现1亿摄氏度运行近10秒。可以说，中国在可控核聚变的研究方面走在了世界前列。

参考资料：

https://www.iter.org/

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E8%B6%85%E5%AF%BC%E6%89%98%E5%8D%A1%E9%A9%AC%E5%85%8B%E6%A0%B8%E8%81%9A%E5%8F%98%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E8%A3%85%E7%BD%AE