“核能”的威力

李会超

太阳每天东升西落，给予地球光和热。植物利用太阳光的能量，可以进行光合作用，为地球提供源源不断的氧气和有机物。煤和石油等化学燃料中蕴含的能量，归根结底也来自远古植物的光合作用。所以，可以说太阳就是地球的能量之源。

我们已经知道，太阳的光和热来自“核聚变”。那么，核聚变到底是什么？它的威力有多大呢？一起来探秘吧！

釋放巨大能量的核反应

汽车在行驶时能够将燃油的化学能转化为驱动汽车的动能;煤炉在燃烧时会将煤的化学能转化为热能（也称“内能”）;火力发电厂则是将煤或石油的化学能转化为电能供大家使用。在我们的日常生活中，燃烧煤和石油，是获取能量最常见也是最便捷的方式。在燃烧产生的化学反应中，化合物中的原子改变了组合的方式，但原子本身的元素种类没有改变。

20世纪初，物理学家发现了一种更有效的释放能量的方式——核反应。与化学反应不同的是，在核反应过程中，原子本身的元素种类会发生改变。核反应后生成的物质质量比核反应之前要小，而减少的那部分物质转化成了能量。

核反应分为核聚变和核裂变两种。简单来说，核聚变是几个小原子核聚合成一个大的原子核，而核裂变则是一个大原子核裂变成几个小原子核。早在“二战”末期，人们就已经开始利用原子能制造威力巨大的新型武器——原子弹。1945 年，美国向日本的广岛和长崎投下两颗原子弹，给日本造成了巨大的灾难，使日本最终放弃抵抗，无条件投降。而这也是原子弹在实战中的唯一一次应用。“二战”之后，美国和苏联相继研发了威力更大的氢弹。氢弹和原子弹一样，也都是利用核反应释放的巨大能量，爆炸产生杀伤力。但氢弹与原子弹不同的是，氢弹利用的是核聚变反应，而原子弹利用的是核裂变反应。

无论原子弹还是氢弹，都是不可控的核反应形式。它们可以在战争期间快速摧毁敌方的城市，却不能在和平时期为人们所用。在原子弹出现之后，人们又发明了可以控制的“核裂变反应堆”。在反应堆中，人们可以通过注入粒子的数量控制核反应的速率，从而让核反应缓慢逐步地发生。在民用领域，核反应堆被应用到核电厂发电;而在军事领域，核反应堆则为核动力航空母舰和潜水艇等提供了强劲而持续的动力。

目前，可以使用的核裂变燃料及核反应之后的生成物，都具有对人体和环境有害的放射性。因此，无论是核反应堆的日常运行，还是核废料的处理，都要特别小心。

与核裂变相比，核聚变使用的原料更加清洁，放射性污染的风险更小。然而，核聚变发生的条件十分苛刻，目前人们还没有完全掌握可控的核聚变技术。但是，你知道吗，一种可控的核聚变已经在太阳内部进行了几十亿年。

太阳内部的可控核聚变

核聚变只有在原子克服了彼此之间的超强静电斥力，彼此接近到距离非常近的程度时才有可能发生。在引爆氢弹时，触发核聚变靠的是先行引爆的一颗小型核裂变原子弹所产生的温度和压强。而太阳这样的恒星，发生核聚变靠的则是自身物质在重力作用下的挤压。在太阳形成的过程中，原始星云的物质不断向中心收缩，中心的密度和压强持续增高，迫使氢原子核相互接近，进而触发了核聚变反应，形成了原恒星。

当太阳由原恒星成长为一颗成熟的恒星后，核反应的速率与恒星物质的重力达到了精妙的平衡。如果太阳从平衡态向外膨胀，中心受到的挤压减小，核反应的速率就会降低，产生的能量就会减少，恒星中心的温度就会下降。这样一来，恒星中心向外膨胀的力无法支撑恒星向中心收缩的重力，膨胀过程就无法持续。相反，如果太阳从平衡态向内收缩，就会使核反应加速，产生更大的向外膨胀的力，收缩过程同样无法持续。总之，一旦步入壮年，太阳向外扩张便会后劲不足，向内收缩又会受到很大的抵抗力，因此它只能保持一个相对稳定的状态，同时进行稳定的可控核聚变。

在太阳的内部，核聚变反应仅仅发生在日核区，因为只有这个区域的密度和压强能够满足核聚变反应的要求。在日核区高温高压的环境下，太阳中的氢原子持续而缓慢地发生核聚变反应。4个氢原子将会聚变成1 个氦原子，同时释放电子、高能伽马光子和能量，以维持此处的高温状态，使核反应能够持续下去。在日核区以外、最靠近日核区的圈层，核反应产生的能量以辐射的方式向外传播。再往外，能量传播的主要方式变成了等离子体的对流。因此，这两个圈层也被称为辐射区和对流区。由于温度的降低，这两个层区内没有核反应发生。高能伽马光子与组成太阳的离子、电子不断碰撞，不断重复“先吸收后辐射”的过程，形成了X 射线、紫外线、可见光等多个波段的辐射。我们能够用肉眼察觉到的可见光，就主要产生于对流层以上的光球层。

人造太阳——托卡马克

虽然目前人类还没有研发出像核反应堆那样成熟实用的人工可控核聚变装置，但这方面的先驱性研究已有不少，其中研究进展最明显的是一个名为“托卡马克”的装置。这种装置试图像太阳一样，借助可控核聚变的方式来获得能量，因此也被人们形象地称为“人造太阳”。

前面讲到，要发生核聚变，就必须让原子克服静电斥力，相互接近。而这一过程，可以通過给物质加热的方式来实现。物质的温度越高，内部粒子“四处乱撞”的不规则运动就越剧烈。计算表明，在地球上可以产生的压强下，需要把物质加热到数千万摄氏度以上，才有可能触发核聚变反应。然而，如此高的温度，任何材料都无法承受，进行核聚变反应的容器会在瞬间被气化，导致核聚变无法进行。

为了解决这一问题，科学家想到利用磁场的无形约束，来将高温粒子束缚在容器内部，并且与容器壁脱离。磁场之所以有这样的本事，是因为在如此高的温度之下，物质已经被电离成等离子体态，组成等离子体的离子和电子都是带电粒子，能够与磁场相互作用。“托卡马克”就是这样一种用磁场约束高温等离子体，进行核聚变反应的装置，它的形状很像一个放倒的轮胎。高温等离子体和“托卡马克”外壁之间形成了一个接近真空的“隔热层”，能够保护外壁不被烧穿。

目前，仅有少数几个国家正在用托卡马克装置进行可控核聚变研究。中国科学院等离子体物理研究所的“东方先进超导托卡马克（EAST）”装置，是目前世界上几个先进的托卡马克装置之一，它的磁场全部由超导系统（一种由电阻接近0的材料构成的系统，能够稳定产生强磁场）产生。目前，EAST 已经实现了1000秒的点火时间。所谓“点火时间”，是指托卡马克装置内的核聚变反应被触发后，能够自发维持核聚变反应的时间。1000秒的点火时间虽然不长，但在国际上已属领先水平。

“认识”太阳使我们发现了核反应，而利用核聚变“制造”太阳或许能够在未来帮助我们拯救能源不足的地球。

诊断系统

“东方超环”在进行实验时，科学家们需要全程监控它的各项反应参数。然而，由于“超高温度”造成的极限环境使得反应参数很难直接测量，科学家们就“迂回”地采用光谱分析来推导里面的各项参数。因为这种方法很像医生通过听诊来判断人的健康情况，所以极限环境下的测量系统又被称为“诊断系统”。

微波加热系统

采取家用微波炉的微波共振原理，通过数万倍于家用微波炉的加热功率将聚变燃料的温度加热到上亿摄氏度，以达到核聚变所需的反应温度（相当于数万个家用微波炉同时运转）。

电流引线系统

将变电站中的“超大电流”（约为家用电流的1 万倍）输入“东方超环”的通电线圈中，以此产生“超强磁场”。因该系统须暴露在室温环境中，无法使用超导材料，所以电流引线很粗，并且外面还包覆一层水循环冷却系统来降温。

低温分配系统

为“东方超环”上的超导材料分配低温冷却剂（主要是零下269 摄氏度的液氦），使超导导体达到所需的低温，从而使“超大电流”在超导材料上能够“无阻碍”地通过。

抽真空系统

“东方超环”同时存在着“上亿摄氏度”和“零下269摄氏度”两个极限温度。真空是有效隔热的主要手段，也是在地球上盛装“上亿摄氏度”聚变燃料的基础。抽真空系统可以将整个装置主机内抽成需要的真空环境，为有效隔绝极高温与极低温奠定基础，并为核聚变反应提供纯净环境。

中性束注入系统

利用中性粒子不受磁场控制的原理，将加速后具有巨大动能的中性粒子与带电粒子进行碰撞来传递能量，从而加热聚变燃料。