人造太阳丨解读之二：能量从“核”而来

随着原子序数的增大，平均核子（质子和中子的统称）质量会经历先减小后增大的变化，而核反应就是通过核子重新组合使得平均核子质量减少。因此，核反应包括重核裂变与轻核聚变。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2（即产生的能量等于减小的质量乘以光速的平方），重核裂变与轻核聚变过程都因伴随着质量亏损而释放巨大的结合能，相比之下核聚变反应释放更多的结合能，如下图所示。由于光速平方是个极大的系数，因此很小的质量亏损便可释放惊人的能量，这便是核能能量密度惊人的内在原因。

核聚变反应释放更多的结合能

核聚变反应条件

实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×1021m-3·s·keV），才能产生有效的聚变功率输出。

获得核聚变反应三要素

首先是高温，实现核聚变反应需要将氘氚原子核压缩到很小尺度的核力范围内，但由于原子核带正电，必须在极高温下才能获得足够的能量以克服彼此间的库仑势垒。尽管太阳核心温度已经高达1500万摄氏度，但这远未达到核聚变反应的要求，只能依靠量子隧穿效应获得1028分之一的极低反应效率，实际上日核区的单位体积发热功率不及人体的三分之一，只是依赖太阳巨无霸的质量和体积取胜。而要在地球实现高效核聚变反应，温度需要达到1亿摄氏度以上，是太阳核心温度的近10倍，从而实现比太阳核心更高的功率密度。其次是一定的密度和能量约束时间，保持足够的密度（粒子浓度）有助于提高原子核间的碰撞效率，以获得足够的聚变反应率；而高能量约束时间意味着具有良好的隔热性能，能量流失的缓慢，提高聚变反应率。

可控核聚变实现途径

达到聚变条件后，还要对高温聚变物质进行约束，以延长可控聚变反应时间，从而获得持续的核聚变能。实现可控聚变约束有三种途径：引力（重力）约束、惯性约束和磁约束。

聚变约束的三种途径

引力约束主要是靠强大的万有引力来提供对聚变燃料的约束力，比如太阳的万有引力使日核区的氢不断往中心挤压，从而形成很高的密度，再加上太阳有足够长的能量约束时间，使得核聚变反应得以持续发生。

惯性约束则以多束极高精度的激光从四面八方向一个非常微小的聚变燃料丸倾注巨大的能量，产生瞬间的高温和高压，巨大的压力使聚变燃料的密度在短时间达到极限值，从而引发核聚变反应。

磁约束利用磁场对运动原子核产生的洛伦兹力产生约束，聚变燃料在极高温下会完全电离为由原子核和自由电子组成的等离子体，倘若让这团等离子体置身于强磁场的空间，带电的原子核与电子在垂直于磁场方向不再自由只能沿着磁场方向做回旋运动，从而受到约束。

在三类约束方式中，引力约束无法在地球上实现，惯性约束难以实现持续的聚变功率输出，因此磁约束核聚变是实现“人造太阳”梦想的有效途径。

托卡马克螺旋约束磁场

（图文：中科院合肥研究院等离子体所副研究员 王腾）