可控核聚變是否真的有傳說中的那麼美好？

答案是肯定的！

否則世界各國也不會用30多年投資上百億美元來研究它。下面我們就進入正題，帶大家了解一下可控核聚變。

我們知道太陽在地球上孕育了生命，為人類帶來了取之不盡用之不竭的能量。這些能量都源自於其內部進行的核聚變反應，即使現在的太陽「正值青春」，但是在當今這個資源極需的時代，人們一想到不可再生資源總會枯竭還是會感到不安，於是便萌生了複製太陽的想法。

自上個世紀，人類通過核聚變原理製造出了威力巨大的氫彈，便從中嘗到了核聚變原理的「甜頭」。科學家們於是開始思考，如果控制核聚變為人類所用，它將成為未來世界的新型能量來源，永久解決人類社會能源與環境問題。

核聚變的原理

所謂核聚變就是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。我們知道氫有三種同位素——氕(H)、氘(2H/D)、氚(3H/T)，這個氕也就是最常見的一種，佔99.985%。他們仨的主要不同就是中子個數不同(分別是0、1、2)，其中氘和氚就是氫彈的主要反應物，他倆就可以發生核聚變，最終產生一個氦核和一個中子。

1905年，26歲的天才物理學家愛因斯坦一口氣發表了6篇論文，涵蓋了現代物理學中三項偉大的成就：分子運動論、狹義相對論和光量子假說。

並且在一篇中，愛因斯坦表明了質量和能量可互換的觀點，即質能方程。

這裡的c(光速)是定值3.0乘10的8次方，E即能量，也就是說能量的虧損值乘c的平方便是釋放的能量，其大小我們可想而知。

有人說原理都是根據質能方程，為什麼不用核裂變呢？首先核裂變所需的鈾等原料，在地球上是十分有限的，而核聚變需要的氘和氚直接從水中就可以提取。其次核裂變反應的放射性極強、安全隱患較大，一旦洩露後果不堪設想。最後一點綜合效益不高，為了使核裂變可控，大量的冷卻設備使反應放出的熱都被浪費了，而且核聚變的產值也比核裂變高。

既然如此，可控核聚變需要什麼條件呢？

首先既然要實現核聚變，就得具有高溫高壓的環境，高溫是為了讓電子脫離原子核，高壓則是為了讓氘核和氚核更容易撞在一起。其次如果想要做到「可控」就是讓能量持續輸出，而不是像氫彈那樣一下子全部釋放。

實現可控核聚變通常有這兩種方式

1.慣性約束

慣性約束就是是指利用高功率物質(比如雷射、電子束、離子束)來點燃少量的熱核燃料，使它在慣性約束的情況下達到點火條件。地球上首個從熱核聚變獲得能量的就是用的慣性約束—氫彈。因為氫彈是靠原子彈引爆的，而原子彈起爆要達到一個臨界值，瞬間產生巨大的能量。

因為雷射技術能產生聚焦良好的能量巨大的脈衝光束，所以我國的神光裝置以及美國的國家點火裝置都採用這種核聚變約束形式。

上圖為雷射約束原理

2.磁約束

除了上面的慣性約束外，還有一種成熟的技術——磁約束。1945年，美國人成功爆炸了第一顆原子彈，隨後蘇聯人在1954年就建成了第一座核裂變發電站，這讓讓核裂變技術得到快速發展。所以科學家們也都認為，可控核聚變也將在不久成為現實。

但很快，在研究聚變等離子體不穩定中科學家們發現，可控聚變反應研究所遇到的困難遠遠超出想像，我們知道太陽的溫度極高，其表面溫度就達到6000攝氏度，這也是太陽可以發生核聚變的一個原因，但是除了高溫外，太陽內部還有巨大的壓力促進核聚變正常發生，而地球上沒辦法達到那麼大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，一般需要達到上億度。

可當時人類已知熔點最高的鎢也不過只有3000多度，所以，要想找個能耐如此高溫的裝置簡直就是不可能。為了可以承受住這種溫度，1954年，蘇聯庫爾恰託夫研究所率先發明出一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器——託卡馬克，1968年第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國際會議上，阿齊莫維齊宣布在蘇聯的T-3託卡馬克上實現了電子溫度1keV(1100萬攝氏度左右)，這一結果，轟動了全球。

上圖為託卡馬克原理

託卡馬克的核心是一個真空室，進行核聚變時要先抽出真空室裡的空氣和雜質，接著給能夠限制、控制等離子體的磁體系統充電，並引入氣態燃料。

當真空室內達到超感的壓力和溫度時，裡面的氣態氫燃料就會發生電分解，並形成等離子體。之後溫度達到1.5-3 億攝氏度時粒子便克服碰撞時的自然電磁排斥力進行融合，釋放大量能量。所以磁約束也是當時乃至目前實現可控核聚變最有希望的途徑。

自此，西方各國都開始紛紛建造自己的託卡馬克裝置，磁約束核聚變也走向了研究正軌，1987年，國際原子能機構邀請了歐共體、日本、美國、加拿大、蘇聯等國創立了國際熱核聚變實驗堆計劃(簡稱ITER)。別看這都是當時的工業大國，其實直到 13 年後的 2001 年， ITER 工程設計工作才剛剛完成。並且僅僅設計工作，就耗資15億美元！

後來因為一些原因搞了十幾年的計劃被迫停止了，直到2006年，我國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同籤訂了 ITER 計劃，才重新「復工」。這也被稱為「七國造太陽」，據說中國參與其中要承包10%的造價，差不多是10億歐元！

2007 年，作為一項國際大科學工程計劃， ITER 在法國啟動，最初計劃在 2016 年完成，可是事情進展的並不順利，這項工程比我們想像的難更多！

上圖為ITER主設備

據有關媒體報導，2020 年 4 月底，施工人員開始安裝 ITER 託卡馬克的首個主要部件。截止2020年4月30日，第一個等離子體完成進度為 69.3%。ITER 團隊表示，計劃在2021年底將主要部件運到現場，並於2025年12月前啟動人造太陽。

「東方超環」實現反超

2020年4月初，位於安徽省合肥市「科學島」上的我國大科學裝置「東方超環」取得重大突破，等離子體中心電力溫度首次實現1億攝氏度運行近10秒。曾在2017年7月，「東方超環」就打破記錄，在世界上首次實現5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從60秒到百秒量級的跨越，如今再次領先世界，《自然》和《科學》曾分別給出這樣的評價：「中國創造了聚變歷史」「在這裡科學價值得到極大體現」。

總結

在地球生物漫長的進化史中，對核能的有效利用，將使人類首次永久性地解決能源問題。草履蟲沒做到過，恐龍沒做到過，先秦兩漢唐宋明清同樣也沒做到過，而如今我們21世紀的人類，將比歷史上任何時期都更接近完成這一輝煌目標，我們健在的每一個人，都極有可能在有生之年親眼目睹這一史詩般奇蹟的誕生，屆時地球必將面臨著一次大更新。