為什麼要做人工太陽？可控核聚變為什麼是終極能源？

最近中國科學界可謂捷報連連，嫦娥取土待歸、九章計算出世、可控核聚變也有重大突破，前兩個都談過了，今天就來談一談可控核聚變，俗稱人造太陽，提到核聚變，許多人自然就想到了核裂變，我也簡單説一説。

首先澄清這個人工太陽主要是説明這個設施的原理，並不是一個太陽的替代品，畢竟太陽壽命還很長，而且別説地球，即使可以利用整個太陽系也造不出來第二個太陽。

核聚變和核裂變

核聚變當中的核指的是原子核，原子核是可以拆分組合的，兩個質量較小的原子核聚合到一起，形成一個質量較大的原子核叫做核聚變。反之，一個質量較大的原子核被拆開，變成質量較小的原子核叫做核裂變。核聚變與核裂變統稱為核反應，他們就是核武器的基本原理。

為什麼要掌握可控核聚變

為了解決煤炭石油資源的壓力，同時提高能量的轉化率，人類對能源的渴望愈發強烈。當科學家發現太陽擁有幾乎無窮無盡的能量的時候，他們萌生了一個大膽的想法，在地球上製造出一個微型人造太陽，一勞永逸的解決能源問題。

為什麼選擇核聚變而不是核裂變

1、原材料

能夠發生核裂變鏈式反應的重元素核燃料就那麼幾種，這些元素在天然的礦石中含量很少，採集成本還很高，這就直接導致核裂變反應的成本比較高。而核聚是較輕的核聚變為較重的核，主要原材料是氫的同位素氘和氚，其中氘在海水中的存儲量很大大約是十萬分之一，別看這個數字很小，0.03g氘聚變產生的能量相當於300升汽油，至於地球上的海水有多少我就不提了，總之這些氘聚變產生的能量足夠為我們人類提供上億年的保障，而且氘的提取方法還很便捷，這麼好的事那去找？

2、核廢料

核裂變之後產生的核廢料同樣是放射性元素，而且這些核廢料的衰減期可以長達幾十萬年，目前還沒發現任何一種人工材料能耗過它們，儘管嘗試了很多辦法也解決不了根本問題。但核聚變產生的廢料半衰期很短，基本上聚變之後產生的廢料在短時間內就會衰變成穩定元素，就算是發生了核泄漏最多一公里範圍的人進行撤離就行了，只要脱離了聚變環境反應自己就停止了。

核聚變的本質

所謂的核聚變指的就是兩個較輕的原子核結合成一個較重原子核的過程，這個過程中質量沒有守恆，有一小部分質量消失了，根據愛因斯坦的質能方程，損失的這部分質量就轉化成了能量，核聚變釋放出來的就是這部分能量。

但是這裏有個問題，這兩個較輕的原子核並不願意結合到一起，就拿兩個氫原子核來説，他們都是帶正電的，根據庫侖定律，他倆越靠近它們之間的排斥力就會越大，讓它們結合成一個原子核的話，就需要非常嚴苛的外部條件來克服這個排斥力，所以想要實現核聚變，需要高温高壓以及高封裝時間，缺一不可。

拿太陽舉例，太陽當中的核聚變只發生在它的核心區域，這個核心差不多佔太陽半徑的五分之一左右（高封裝）；由於太陽的總質量實在是太大，強大的引力就對它的核心產生了巨大的壓力，使物質緊密地壓縮在一起，給氫原子核的核聚變反應提供了有利條件（高壓）；另外太陽核心的温度達到了一千五百萬攝氏度，在這個温度下，物質的原子核和電子就分開了，形成了等離子體，而且温度越高，粒子的運動就越劇烈，兩個氫原子核就越容易撞在一起，發生聚變反應（高温）。

核聚變的燃料

當然這裏説的容易撞在一起也只是相對的，實際上呢平均每個氫原子核要等十億年才能發生聚變反應，所以從這個角度來説，太陽核聚變的效率是很低的，只是因為太陽的體量太大，才能釋放出這麼多的能量。

還是拿太陽的核聚變來説，兩個氫核等了十一年，終於撞在一起了，他倆結合成了一個氘核，也就是説原本的兩個質子變成了一個質子和一箇中子。有了中子之後氘核在去跟氫核結合的時候雖然還是有排斥力，但是氘核中的中子會輔助把氫核拉過來，這樣就大大降低了聚變的難度，氘核跟氫核會聚變成氦三，就是大家都想去月球上搶的那個氦三，氦三接下來還會繼續發生聚變最終生成氦四。這就是太陽當中核聚變的整個過程了。

通過分析太陽上面的核聚變，咱們可以得到幾個提示，首先在選擇聚變燃料方面，要儘量選擇質子少，中子多的原子核，這樣原子核之間的排斥力才最小，中子輔助作用才最大，所以氫元素的同位素兩兄弟，氘和氚就當仁不讓了。

氘的來源前面説了可以從海水裏面就可以提取出來，氚可以通過用中子轟擊鋰6獲得，難度也並不是很大。所以以現階段來説的話，氘氚核聚變是主要的研究方向。

不過氘氚核聚變也有問題，因為它們在反應的時候會釋放出大量的中子，這就會造成一定程度的放射性污染，雖然這個放射性跟現在核電站所採用的核裂變相比要輕很多了，不過總歸有放射性。

所以最理想的就是氦3了。用氦3進行反應的話，就不會釋放出中子，它釋放出的是質子，質子因為帶正電，那就好處理多了，咱們用磁場就可以約束它，甚至咱還可以把產生的質子當作氫燃料來利用，非常的完美。

不過氦三除了要去月球上開採比較費勁之外，還有另外一個缺點，咱們剛才也提到了，説原子核當中的質子越多，在結合的時候啊排斥力就越大，就越難結合，氫是一個質子氦是兩個質子，所以用氦三的話就得需要更高的反應温度，這對設備來説要求更高，不過目前可控核聚變還有提升空間，再説了氦3也還沒取到，還有時間。

核聚變條件的探索

説到核聚變不得不提兩個詞，核彈和託卡馬克，要想引發核聚變反應的三個必要條件，但高壓在地球上太難實現了，所以咱們能做的就是儘可能提高反應温度，太陽內核的温度是一千五百萬攝氏度，但是反應的效率也太低，所以這個温度還得再提高，那麼需要提高到什麼程度呢？

1944年的時候啊，世界上第一個核反應堆的設計者、原子能之父、著名的意大利物理學家費米，沒錯，就是提出費米悖論那個費米，把核聚變需要的温度給算出來了，這個温度是多少呢？至少五千萬攝氏度，在那個年代啊，想要把聚變燃料加熱到五千萬攝氏度，唯一的辦法就是引爆一顆原子彈。

目前來看最領先的技術就是託卡馬克，那麼託卡馬克到底是一個什麼樣的裝置呢？大家可以把託卡馬克簡單的想象成是一個真空的甜甜圈，裏面是被加熱到五千萬攝氏度以上的等離子體，在這個甜甜圈上面纏繞着很多的線圈，在這些線圈裏通入電流的時候，甜甜圈當中就會產生環形的磁場，因為等離子體是帶電的，所以在洛倫茲力的作用下，這個環形磁場就會對等離子體產生約束作用，讓他們不要接觸到內壁，因為真空不導熱，所以理論上温度再高也沒事。所以目前在可控核聚變領先的設備都是採用這個技術。

為了解決什麼問題

我認為終極目標是星際旅行，就拿spaceX來説吧，埃隆馬斯克發射一次火箭需要燒四百多萬公斤的燃料，就算不考慮燃料夠不夠，光是這個重量就很影響效率，這還是隻能去月球，要想去鄰居火星的話，還得再給加一次油才行，按這個條件來説小行星帶都出不去。但如果有朝一日可控核聚變技術成熟，那情況就大不一樣了。到時候研發出核聚變發動機，直接加入核聚變燃料就能起飛，那時飛出太陽系都有可能。

結語

如果説九章量子計算機和懸鈴木各有利弊，但中國環流器二號M裝置（HL-2M）應該是現在真正的行業天花板，根據公開的數值來看，甚至可以滿足氦3的核聚變，雖然距離商業化還很遙遠，但我有理由相信我們可以率先商業化。