如何在地球上制造一颗太阳

文| 马 迪

根据科学家的估计，人类要实现可控核聚变商用可能只需要数十年，这意味着我们很有希望在有生之年里见证“人造太阳”的诞生。

近期，有关“核”的各种话题在全球范围内引发了广泛关注和热议。这波讨论的起因，既包括诺兰导演的话题电影《奥本海默》让人重温了原子弹的恐怖威力，也源于日本开始向海洋排放核污染水的肆意妄为，很多人开始将与核有关的所有技术都视为恐怖和危险的代名词。凡此种种，应该正确看待。

不管是原子弹还是当前各国运行的核发电站，其能量来源都是核裂变反应，也就是用中子轰击不稳定的重元素放射性同位素原子（比如铀235），使之分裂并释放出更多的中子，从而击中更多的铀235，形成持续的链式反应。链式反应必须进行精密控制，一旦失控就是巨大的事故，就像切尔诺贝利和福岛发生的那样。

但看过《奥本海默》的我们知道，核反应除了裂变，还有一种叫做核聚变，它就是我今天想要介绍的主角。

简单来说，核聚变是指由质量轻的原子（主要是指氢的同位素氘和氚）在超高温条件下，发生原子核互相聚合作用，生成较重的原子核（氦），并释放出巨大能量的过程。其实我们每天都能看到这个现象—已经燃烧了50亿年的太阳，夜空中或明或暗的繁星，本质上都是一个个巨大的核聚变反应堆。

20世纪末，国际能源署曾向能源领域的2000位科学家发过一份调查问卷，其中一个问题是：人类的终极能源是什么？近80%的回答都是“核聚变”。

与核裂变（主要在核电站和原子弹中使用）相比，核聚变的放射性废物要少得多，而且不会发生可能导致反应堆熔毁的失控链式反应。聚变产生的核废料半衰期极短，即使发生事故也可以将危害降到最低，短时间内环境即可恢复正常。

核聚变另一个优势在于其丰富的燃料储量。海水中蕴含极丰富的氢元素的同位素“氘”就是最好的核聚变燃料，1克氘全部释放的能量相当于8吨煤，这意味着随便一座小型的可控核聚变发电厂就可以输出千亿瓦量级的电，电力将便宜到不用计量随便用的程度。换言之，人类将彻底实现能源自由。

利用轻核聚变原理，1952年科学家就成功试爆了氢弹，但氢弹是不可控制的核聚变反应，能量以爆炸的形式被瞬间释放。如果能让核聚变按照人们的需要，持续稳定地释放，就可以像太阳一样带来无穷无尽的能量。因此，可控核聚变反应堆又常常被称为“人造太阳”。

核聚变不难，但难在“可控”二字，即合理地控制核聚变的速度和规模。由于原子核都带有正电荷，只有极高的温度、压力才能克服原子核之间巨大的核力使得氢核结合。所以首先必须提高物质的温度达到约1亿摄氏度，使原子核和电子分开，成为等离子体，然后持续地控制等离子体的温度、密度和封闭时间，三项条件缺一不可。

那么什么样的容器能将承载这样高温的离子体呢？一种解决思路是利用强磁场，也称为磁约束核聚变。20世纪50年代苏联科学家设计出一种被称为托卡马克（Tokamak）的环形容器。

理想的磁约束核聚变中，科研人员首先利用加热系统将聚变燃料加热至高温等离子体状态，然后利用磁场约束等离子中的带电粒子，主要包括氘原子核和电子，带电粒子会沿着磁场线螺旋运动，从而避免直接与外部的容器壁接触，被磁场约束的等离子体将继续升温至超过1亿摄氏度，直到引发核聚变反应。

目前在建的最大的实验型聚变装置为法国南部的国际热核聚变反应堆。它使用等离子体半径为6.2米的大型托卡马克，整个机器将重达2.3万吨。目前欧盟、英国、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等国都加入了这个项目，ITER有望成为第一个以发电厂规模（约500兆瓦）展示持续电力输出的核聚变反应堆。

另外，美国加州国家点火装置实验室（NIF）2022年12月宣布实现了史上首次“净能量增益”，也就是从可控核聚变反应中提取的能量超过了触发该反应的能量，为点燃“人造太阳”迈出了重要一步。根据科学家的估计，人类要实现可控核聚变商用可能只需要数十年，这意味着我们很有希望在有生之年里见证“人造太阳”的诞生。

那必将是载入人类历史的奇迹时刻。