10分鐘讀懂「人造太陽」

12-22

前些天，網上出現了這樣一則新聞：

看到「中國『人造太陽』實現1億度運行」這樣的消息時，相信很多人的內心都是這樣的：

○ 30年前的這首《種太陽》，不知道給多少人的童年帶來了歡樂和溫暖，又成為了多少人長大以後的心理陰影。本文約3700字，閱讀時間可以把這首歌聽10遍。

就算沒有考慮過在南極放一個太陽，將會導致冰川融化，全世界的沿海地區被淹沒，也沒考慮過多個太陽的引力會導致地球運行軌跡完全無法預測，讓我們面臨三體星人的困境，只要聽說過后羿射日的傳說就應該知道：

隨便亂種的話

地球有可能在你反應過來之前

就已經毀滅了

○ 南極企鵝拒絕種太陽的「善舉」

畢竟天上掛著的那個太陽，直徑是地球的109倍，體積是地球的130萬倍，質量是地球的33萬倍，表面溫度6000℃，核心溫度1500萬℃。

○ 太陽和地球的大小比較

所以

就算要種個太陽

也不是挖個坑埋上再澆澆水那麼簡單

那麼，「人造太陽」究竟是怎麼「種」出來的？又是為什麼要種它？在回答這些嚴肅的問題之前，我們需要先了解一下太陽到底是什麼，太陽是靠什麼發光發熱的。

太陽發光發熱靠的是核聚變。

簡單來說，就是幾個氫原子核融合在一起，變成氦原子核，釋放大量能量。

○ 人工核聚變反應示意圖

（太陽核聚變反應與此略有不同，不多介紹）

人造太陽正是因為以類似於太陽的核聚變反應為能源而得名。

核聚變到底有多厲害

讓我們聽聽斯塔克工業公司總裁，人稱「鋼鐵俠」的托尼·斯塔克先生是怎麼說的：

是的，嵌在鋼鐵俠胸前為他供能的方舟反應堆正是利用核聚變產生能量的。用了核聚變能源之後，上個天呀，跟神仙掐個架呀，拯救個世界呀什麼的都不是事。

○ 鋼鐵俠吃甜甜圈的英姿（圖片來自SIDESHOW）

雖然鋼鐵俠是虛構的，但是在當今人類能想到的範圍內，用核聚變作為能源確實是鋼鐵俠唯一合理的選擇了。

首先，核燃料的能量密度大，同等質量放出的能量是石油的幾百萬倍。也就是說，同樣是上天打架，戰鬥機要裝上幾噸的油，而鋼鐵俠只需要一個巴掌大的反應堆。作為超級英雄，鋼鐵俠自然要用核能。

人類利用核能主要有兩種方式：核裂變和核聚變（人類分別用它們造出了原子彈和氫彈），從能量密度上看，二者相差不多（後者是前者的4倍，聚變還是更厲害一點的），而且核裂變已經為人類所控制，在核電站里廣泛應用，

答案是，核裂變會產生放射性核廢料，核廢料一旦泄漏，所到之處上萬年寸草不生，這種東西就算是超級英雄也不敢裝在自己身上的好吧。

而核聚變不會產生放射性核廢料，也不產生其他污染物，是一種清潔能源（雖然反應發生的時候會有有害輻射放出，但是不會存留。但願鋼鐵俠有足夠好的防護措施）。

另外，核聚變燃料（重氫、超重氫）可以從海水中提取，夠人類用幾百億年。如果人類能用核聚變發電，就再也不用擔心能源問題了。

到時候我們擔心的可能就是天上有太多鋼鐵俠在飛，購買鋼鐵俠盔甲如何搖號，尾號限行如何執行，發生了空中交通事故如何認定責任……

○ 未來鋼鐵俠在空中堵車示意圖

好了

該醒醒了

核聚變這麼靠譜

為什麼沒有廣泛應用

因為核聚變發生的條件很苛刻，幾千萬、上億度的高溫是最基本的條件。在這樣高的溫度下，物質已經不再是融化或氣化那麼簡單了，就連原子核和電子都被分開，各自亂飛，以等離子體（固、液、氣之外的第四種物態，在此處可以理解為「熾熱的、導電的氣體」）的形式存在。

沒有任何材料的容器能夠完好無損地容納如此高溫的等離子體，而如果沒有容器容納，以等離子體形式存在的核聚變燃料自然會四散而逃，溫度也損失殆盡，又怎麼能發生核聚變呢？

因為太陽有足夠大的質量，單靠萬有引力就把組成自身的核聚變燃料束縛在一起，順便在核心處壓縮到水的密度的150倍，併產生1500萬度的高溫，保證了核聚變反應的持續進行。這種實現核聚變的方法叫做「重力約束」。當然，這在地球上是不可能實現的。

另一種實現核聚變的思路是依靠外力產生瞬間的高溫高壓，讓核聚變反應發生，並且藉助物質的慣性，讓核燃料在散開之前反應完成。氫彈爆炸就是由原子彈爆炸產生的瞬間高溫高壓引發的大量核聚變反應。

○ 氫彈爆炸

氫彈是目前人類實現並應用核聚變的唯一可能方式，只是破壞力太大，沒法控制，更沒法用來發電。為了能夠可控，把核燃料減少到比米粒還小的一個小球，用四面八方射來的高能激光代替原子彈爆炸製造瞬間的高溫高壓，引發核聚變，這種方法叫做「慣性約束」，可是由於激光的功率還遠遠達不到要求，實現起來還遙遙無期。

下面是目前最有希望實現可控核聚變的方法，也是中國「人造太陽」採用的方法。

▼

由於高溫的核聚變燃料以等離子體也就是帶電粒子（帶正電的氫原子核和帶負電的電子）的形式存在，而帶電粒子會在磁場中偏轉，從而被磁場「拴住」。用磁場就可以讓高溫的等離子體懸在空中，不與容器壁接觸。這種用磁場「拴住」高溫等離子體來實現可控核聚變的方法叫做：

20世紀50年代，蘇聯的科學家率先開始嘗試用一種名叫「托卡馬克」（來自俄文的一個縮寫詞，意為「帶磁線圈的環形腔」）的裝置來實現磁約束核聚變。

簡而言之，托卡馬克是一個甜甜圈形的真空腔，外邊包裹著磁線圈，在真空腔內部產生環形磁場。等離子態的核聚變燃料就在裡面繞圈圈。這樣一來，「人造太陽」的「容器」問題就有了解決方案。

有了容器，要想實現核聚變發電，還必須要同時滿足以下3個條件：

束縛住足夠多的粒子，達到足夠的密度
達到足夠高的溫度
不能讓熱量輕易地流失掉

只有這3個條件同時達到，才能做到用核聚變自己產生的熱量來維持核聚變所需的高溫，達到「收支平衡」，讓反應持續地進行下去，然而世界各國現有的裝置都還無法同時達到上述3個條件，在現階段，研究人員還只能通過外界的能量輸入來實現高溫，以測試裝置的各方面性能。

○ 中國人造太陽EAST實景圖

中國人造太陽的真名叫「EAST」，

是英文「Experimental Advanced Superconducting Tokamak」的縮寫，

意為「先進實驗超導托卡馬克」，

同時英文「EAST」又是「東方」的意思，所以又被稱為「東方超環」。

EAST的主體部分像一個罐子，高11米，直徑8米。那個甜甜圈形的真空腔就藏在裡面，但是它的截面並不是圓形，而是一瓣橘子的形狀，這種形狀的真空腔更有利於磁約束的穩定。

○ 這是國際熱核聚變實驗堆（ITER）內部結構（圖片來自ITER）。EAST和ITER結構類似，可以姑且認為這個是EAST的內部結構圖，是不是很炫酷？ITER的大小是EAST的4倍，但是還沒有建成，而EAST的實驗結果為ITER起到了重要的指導作用。

真空腔的內壁是面向等離子體的部分，雖然不與高溫的等離子體「直接接觸」，但是依然要承受大量的熱量和粒子轟擊，對其材料和工藝提出極為嚴苛的要求。在粒子轟擊下，它的材料要保證既不釋放雜質污染燃料，也不吸收燃料造成燃料的損失。為了解決散熱的問題，真空腔內壁之下嵌有冷卻水管，用水流帶走熱量，但材料本身也要有很好的導熱性。