人造太陽——人類的終極能源

專欄為數學，物理問題，思考，猜想介紹。首篇為科普文章，略粗糙，見諒。

• 萬年之前燧人氏利用鑽木取火播撒下華夏文明的火種，遙遠的歐羅巴，那兒也有普羅米修斯盜取太陽神火種分享給人類的傳說。從18世紀來自英格蘭中部蒸汽輪機的嗚嗚聲開始，這顆藍色星球上最聰慧的物種才真正掌握了改造自然的力量。工人們流著汗往鍋爐里不停地扔著大塊大塊的煤到1945年阿拉莫戈多沙漠上騰起的蘑菇雲，我們自豪地宣稱擁有了改變世界的力量，當然代價就是也愈來愈消耗著更多的能源。21世紀的今天，世界上有著70億+的人口，最依賴的化石燃料在可預見的未來即將枯竭，即使是核裂變反應堆需要的鈾也有著天然資源的限制。所謂的清潔能源；水力，風能，太陽能，地熱能，生物質能等等，本質來源於太陽，地核輻射，都是靠天吃飯的典型，不完全受我們主觀意願的控制，代價高昂且輸出能量少。物理學中亘古不變的真理之一是能量守恆定律，我們都必定要遵循這個遊戲規則，那就是這個世界不存在不竭的能源。抬起頭，看著太陽給予我們光明與溫暖，我們感慨它的偉大，可處在現實世界的我們並沒有普羅米修斯的無私幫助，那我們怎麼盜取太陽的火種呢？不，我們不應該奢求那一丁點兒能量，我們要憑藉著我們的智慧去創造一個太陽——可控核聚變，一個可以徹底解決人類能源問題的裝置。

• 核聚變原理介紹：原子核是由中子和質子組成，它們被稱為核子，依靠強相互作用克服掉帶正電的質子之間的庫倫斥力，在幾個飛米( )尺度強相互作用是庫侖力的137倍，弱相互作用的 倍，萬有引力的 倍。平均結合能是指質子，中子結合成原子核時所釋放的能量除以質子與中子的數量和。結合之前的核子質量大於結合後的核子質量的現象叫做質量虧損，需釋放能量，反之拆開則需要吸收能量，以公式 計算。在元素周期表中，鐵之前的元素聚變釋放核能，鐵之後的元素裂變釋放核能。

氫的同位素有7種，天然同位素有氕，氘，氚三種，而氘核與氚核是最佳的核聚變燃料，核反應方程式為 。由於核子之間距離只有小於10fm的量級才可能被強相互作用束縛融合，所以這就需要核子具有超高速率，這樣才有足夠動能克服融合前的庫侖斥力。而如果想要長時間持續地發生聚變反應就需要原料密度足夠大，這樣才有足夠的碰撞概率。要知道在壓強極大，溫度極高的太陽中心，平均每個核子也要等待上億年才會參與一次聚變反應。以上簡單總結就是：氘與氚產生核聚變釋放出極大的能量，但是反應條件極為苛刻。

• 可控核聚變優點：1，核聚變產生的能量極其巨大，1g的氘-氚聚變所釋放的能量相當於8噸石油，這樣簡單計算下來，如果人類掌握了可控核聚變技術，那麼可以供全球使用100億年！！！2，核聚變所需要的核燃料氘在海水中儲量極其豐富，海水中每6700個氫中就有一個是氘，至於另一燃燒物氚則可以由聚變反應爐釋放的中子增殖後轟擊金屬鋰產生，通過儲氫材料收集後再與氘混合繼續聚變（技術上並沒有太大困難）。3，可控核聚變先天條件就決定了它的安全係數很高，因為一旦聚變過程中出現一丁點問題，例如出現反應爐破損不絕熱等問題聚變就會因為溫度沒有達到聚變條件而立即停止，不會出現裂變反應堆融毀等嚴重事故，所以大家儘管放心，絕對不會出現切爾諾貝利和福島核電站類似的恐怖事故。4，產物清潔。由上面核反應方程式可知，其產物只氦和中子，而惰性氣體氦沒有放射性，中子也被吸收利用。即使整個反應爐中的核反應也只是產生低放射性，半衰期很短的物質，與那些整天燒煤冒著黑煙的火力發電站相比不能更清潔了。
• 人造太陽的最可能實現的兩種方式。

一：磁約束。磁約束方案包括托卡馬克和仿星器，其中目前最受科學家青睞的是托卡馬克。托卡馬克又稱環磁機，是利用超強螺旋形磁場束縛高溫等離子體進行可控核聚變。

二：慣性約束。慣性約束核聚變又稱激光約束核聚變。原理是利用多束強激光轟擊聚變燃料靶丸，靶丸外層爆裂，由於力的作用是相互的，即同時產生向內擠壓的力，連鎖反應疊加之後產生核聚變所需要的高溫和高壓。說白了也就是利用激光點燃微型氫彈。

• 太陽依靠著強大引力場束縛著聚變燃料不外泄，使得它可以穩定燃燒一百億年。地球上不可能創造出這麼巨大的引力場和體積。我們掌握氫彈製造已經很多年了，但是爆炸氫彈是簡單粗暴的短暫形式，讓聚變發電總不能天天在發電站里爆炸幾顆氫彈吧。上面介紹的兩種比較可行的方案中，激光約束還有著一些遙不可及技術困難，目前最靠譜的還是磁約束中的托克馬克裝置。額，扯了那麼多可控核聚變的原理和方式，那麼我們現在就看看我國是如何做出的目前是世界最領先成就。先進實驗超導托卡馬克實驗裝置（英語：Experimental
  Advanced Superconducting Tokamak，縮寫：EAST）是由我國科技工作者獨立設計製造的世界首個全超導托克馬克裝置，於2007年3月通過國家驗收。它高11米，直徑8米，重400噸，是我國製造的第三代核聚變實驗裝置。它集超高溫、超低溫、超大電流、超強磁場和超高真空5個極限物理條件於一身，到目前為止已經進行了10多輪物理實驗，總放電超過64000次。記得2006年9月EAST建成並完成首次成功放電，與當時國際同類型實驗裝置相比，它獲得了四項世界第一，即使用資金最少，建設速度最快，投入運營最早，運行後獲得等離子放電最快。在去年更是首次實現電子溫度超過5000萬度，持續時間達到102秒的等離子體放電。好消息不斷，就在今年7月4日，中科院等離子體物理研究所宣布EAST在全球首次實現了上百秒的穩態高約束運行模式 ，再次創造了一個世界記錄。

在EAST通過驗收的同一年，歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、韓國和印度等7個成員決定開啟國際熱核聚變實驗堆計劃（英語：International Thermonuclear Experimental Reactor，縮寫為英語：ITER）它是一個國際核聚變研究和巨型工程，將成為世界上最大的磁約束等離子體物理學實驗，這是目前正在建設世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆，鄰近於法國南部的卡達拉舍設施。EAST可以說是作為它的先行試驗者的角色。由上面的介紹我們已經知道，可控核聚變的最大難點之一是如何容納上億攝氏度的等離子體，由於實物絕對不可能有這麼高的熔點，即使請磁場來幫忙，處於反應堆最核心位置的第一壁依舊面臨著極大的考驗。ITER的反應堆的第一壁設計要求需要承受每平方米4.7兆瓦的能量，這幾乎可以瞬間把一公斤的鋼鐵融化。作為熱交換媒介的第一壁不僅僅面對著上億攝氏度的高溫，聚變產生的高能中子可以輕鬆擊毀實物中的化學鍵，造成其結構出現問題，例如脫落的碎屑會影響核聚變的持續性。在ITER計劃中，我國在去年就攻克了採購包任務中遇到的所有技術難題，交付的部件100%國產化。ITER組織兩任總幹事對中方的評價是「中國在採購包的研發，生產領先於各方」。就承擔著製造ITER第一壁的任務來說，由中核集團西南物理研究所在上一年成功製造出合格的第一壁材料，這是世界上第一個通過高熱負荷認證的材料。

• 過去的中國從勒緊褲腰帶購買俄羅斯的托克馬克裝置，出一點問題就要看人臉色，受制於人。現在的中國已經從曾經的追趕者到世界的領跑者，其中幾十年的艱辛也許只有那些埋頭苦幹的科技工作者才會懂得。
• 人造太陽的意義不僅僅是解決地球上的能源危機，更是人類邁向星辰大海征程的唯一鑰匙。擁有了這種近乎可以提供無限能量的技術，對於整個人類歷史而言都是一座偉大的里程碑。1831年，一位貴婦略帶嘲諷對法拉第說：「法拉第先生，你的電學表演很精彩，可是它有什麼用呢？」，是啊，那位貴婦是永遠也想不到 186年後今天的世界究竟長什麼樣子！我們今天在此付出多少努力都是值得的。伴隨著祖國的偉大復興，我國的科技工作者不斷攻克了建造人造太陽的過程中的一個又一個巨大難題，為可控核聚變商業化做出了傑出的貢獻。正如中國工程院院士李建剛所說：「在我的有生之年，有一盞燈泡能被聚變之能所點亮。這一盞燈泡一定要，也只能在中國」！！!

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