我国人造小太阳既然频破纪录，但可控核聚变为何还无法点亮一盏灯？

今年初，中科院在合肥的人造小太阳实验装置又传捷报：实现了长脉冲高参数运行1056秒，突破了自己一再突破的世界纪录，走在了世界前列。

人造小太阳不是人为制造出一个小太阳来照亮人间，而是利用太阳内部能量产生机制，在地球上制造和利用能量的一种方式，真正的科学名称叫“可控核聚变”。为了获取这种可能改变人类文明进程的能量，人类已经不遗余力不惜代价地奋斗了几十年。

不过我要在这里泼点冷水：迄今为止，太阳每天都光芒万丈地照耀着太阳系，人造小太阳迄今为止还依然无法点亮一盏灯。

人类为啥要不遗余力地研究可控核聚变呢？

爱因斯坦在100年前发现了质能方程这个奥秘，人类对物质质量和能量的关系认识有了巨大突破，知道了质量和能量是等价互换的，任何物质中都蕴含着巨大的能量，只要能够将其中的能量释放出来，就惊天动地。

质能方程公式为：E=MC^2。这里E表示能量，M表示任何物质的质量，C表示光速。其中的意义就是，只要将1kg（千克或公斤）的物质转化为能量，就能够得到9*10^16J（焦耳）的能量，这个能量相当于250亿度电。

但要将物质里的能量转化出来非常困难，燃烧等办法只能停留在化学反应层面，质能转化率是非常低的。如煤燃烧得到的热能只相当于质能转化率的30亿分之一，石油原油燃烧则约22亿分之一。

核聚变是人类迄今为止，发现能得到最大质能转化的方式，质能转化率可达约千分之七。太阳核心源源不断的能源辐射，就是核聚变释放出来的。这个过程是4个氢原子核，融合成1个氦原子核的过程。

4个氢原子核的原子量合计为4.03136，1个氦原子核的原子量为4.0026，我们可以看出核聚变后原子量少了0.0294，约占原子量损失的0.718%。这样，1公斤氢核聚变的质量损失就达到7.18克。

这些亏损的质量哪里去了呢？根据爱因斯坦的质能转化理论，这些质量就转化为能量辐射出来。太阳每秒钟有6亿吨的氢参与核聚变，就有约430万吨的质量损失转化为能量辐射到太空，这个能量就有3.87*10^26J，相当于1万亿亿度电。

太阳已经这样燃烧了50亿年，还可以再继续燃烧50亿年。我们地球承接了太阳能量的22亿分之一，就得到了约1.76*10^17J/s的能量，相当于每秒得到490亿度电能，是1000万座三峡大坝的发电总量。这些能量看起来很巨大，但实际上就是不到2kg物质转化出来的能量。

人类从恒星核聚变迸发出的巨大能量中得到启发，如果能掌握这种能量获得方式，将完全缓解人类文明发展进程的能源危机。因为太阳核聚变的燃料就是氢，地球上氢是很普遍的元素，储量很丰富。

水就是由氢和氧组成的，地球海水储量达到136亿亿吨，如果每升海水中的氢用于核聚变燃料，其产生的能量相当于300升汽油。因此，如果能够让太阳这种核聚变方式在地球上实验成功，人类的能源危机就在相当长时期里不会存在了，人类文明将进入一个新的高速发展时期。

上世纪以来，人们就已经获得了这种核聚变的能量，就是氢弹爆炸。但氢弹爆炸只是一瞬间的爆发，除了用于战争和威慑，对人类生活几乎没有任何帮助。如何将这种力量控制住，让它像太阳一样缓慢释放呢？这就是人类不遗余力研究开发可控核聚变技术的内在动因。

可控核聚变的难点

太阳本身就是一个巨大球状的高温等离子体，这个等离子体是由于核心核聚变不断释放出能量，通过辐射和对流源源不断传递到表面，然后释放到太空的过程。所有和太阳一样的恒星，能量产生的机制都是一样的。

万有引力会将一切巨大质量的天体拉拽成球形，并不断向核心收缩。太阳的质量约为2*10^30kg，这种巨大质量的向心收缩压力，给太阳核心造成了3000亿个大气压力和1500万度的高温，这样就点燃了太阳的核聚变，而且会持续不断的进行。

核聚变的巨大辐射压抵御住了质量导致的引力收缩压，形成了一个平衡，这就是太阳的主序星阶段，这个阶段可以维持100亿年左右。而太阳核心的核聚变是在巨大引力收缩压的束缚下持续不断进行的，这种核聚变束缚方式叫重力约束。

正是这种巨大压力和高温的结合，让太阳核心的氢原子被剥去了外层电子，裸露出原子核，原子核与原子核的不断碰撞融合，才形成了持续不断的核聚变。人们想在地球上模仿太阳的核聚变，是无法制造出这么巨大的压力的。地球最大压力在地核，那里的压力也只有360万个大气压，只有太阳核心压力的约10万分之一，怎么来让氢裸露出原子核呢？

只有提升温度，将反应温度提升到1亿摄氏度，氢的核外电子就会被剥离，氢核就能形成持续不断的融合。这样就出现了几个难以解决的问题：一是如何能达到这种高温；二是用什么容器来盛装约束这种超高温度的火焰（等离子体）；三是怎样让这种高温发出电来。

要知道，我们地球所有物质能够耐受的最高温度也不过几千度，现在已知能够耐受最高温度的单质金属为钨，熔点为3410℃，耐受最高温度的合金为铪合金，熔点为4215℃，而1亿℃是铪合金熔点的2.3万倍。

太阳是依靠重力将核聚变反应的高温压缩在半径1/4的范围内，地球上用什么办法将核聚变1亿度高温控制在一个容器里呢？已经发现的118种元素都不可能做到这一点，科学家们经过反复试验和研究，找到了非物质方法，这就是磁约束和惯性约束。

现在普遍采用的是磁约束（今天不讲惯性约束）。

所谓磁约束，是因为等离子体都带电，对磁场会产生相互作用，科学家们就采用这种物理学原理，用能量制造出一个磁场陷阱，将高温等离子体约束在磁场形成的一个环形阱中。这就像一个四面不靠的笼子，让核聚变形成的高温等离子体在这个笼子里，与设备的任何部件和内壁都不挨着。

但要做到这一点是很难的，尤其是让这种高温等离子体约束得长久一点就更难。所谓约束了多少秒，就是这些实验的不断提升和突破。

但即能够制造出高温等离子体，并且能够把它们约束起来，并不等于就是得到了核聚变能源的利用，这还只是万里长征第一步。因为要制造核聚变高温和束缚高温等离子体的磁阱，需要输入大量能量，如何让输出能量大于输入能量，并且将被束缚的核聚变能量传导出来用于发电，还是很难的课题。

中国走在世界前列的指标有哪些？

中国研究核聚变的机构设立在合肥，正式的名称为“中国科学院合肥物质科学研究院”。这里有一台具有中国自主知识产权的装置，叫非圆截面全超导托卡马克实验装置，简称EAST，目前处于世界领先地位。

这个装置确立了三大目标：1兆安等离子体电流，1亿度高温等离子体，1000秒运行时间。

现在已经分阶段达到的成果是：2012年获得411秒2000万℃高参数偏滤器等离子体；2017年实现稳态长脉冲高约束等离子体，在5000万℃条件下运行101.2秒；2018年，等离子体中心电子温度首次达到1亿℃；2020年，在1亿℃高温下维持运行10秒，2021年上半年将这个时间延长到101秒，而且温度提升到1.2亿℃。

2021年12月30日，也就是前两天，实现了在近7000万℃长脉冲高参数等离子体条件下，维持运行1056秒，注入能量达到1.73吉焦。至此，EAST累计放电次数超过10万次，实现了1兆安等离子体电流，1亿摄氏度高温等离子体约束，1000秒运行时间的三大科学条件。

据有关方面宣称，实验解决了三大科学难题：完全非感应电流驱动、再循环与杂质控制、热与粒子排出等问题。这些都是很专业的术语，作为一般性的科普，我们就不去深究了。

从我国在可控核聚变研究领域的不断突破，我们可以看到中国的科技实力的增长，也可以领悟出可控核聚变研究的艰难：现在整个推进还是在以“秒”计算，未来的路还任重道远。

提升输出能量比是需要突破的最关键难点和重点

在对核聚变等离子体有效约束突破的基础上，如何让核聚变的能量从磁阱中传导出来，推上民用，将是未来可控核聚变研究的难点和重点。

这其中最重要的指标就是输入能量和输出能量之比，称为Q值。Q值指标有两种，一种是QP，是指点火所需能量与输出能量的比值；一种是QT，是指整个装置输入能量与输出能量的比值，这两个比值相差是很大的。

如在实验中，整体输入能量是400MW，用于点火的能量只有50MW，输出能量为250MW。这样QP值就是Q=5，表明输出能量是输入能量的5倍，看似不错了。但实际QT值只有0.625，能量还是入大于出，没有商用价值。

有些实验数据没有披露QP值和QT值，因此到底达到一个什么水平，不得而知。据可以查到的一些资料，目前世界上Q值比较高的可控核聚变实验有英国JET，Q值≈0.67，日本JT-60实验的Q值理论上达到了1.25，但据称只是理论值，在实际中很难实现，后来JT-60也拆掉了。

从我国披露的磁约核聚变发展路线图来看，计划在2025年实现3000秒稳态长脉冲等离子体，Q值=5；2030年实现等离子体稳态燃烧，Q值＞10；2050年实现并网发电。这个预期中的Q值指的是哪种Q值，没有说明。

一些研究认为，由于可控核聚变能量在输出传递和转换过程中，各种功率损耗很大，一般Q值要达到30才具有商用价值，同时还要有完善的氚循环回路，以及合格的抗辐射材料，这些研究都还需要时日。

由此可见，可控核聚变的研究还是“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。但中国的科学家们信心满满，他们的目标只有一个：让核聚变能的第一盏灯在中国点亮。

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