最近，随着我国新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，以及一些与核技术相关的事件发生，又有不少人关注起了人类的“终极能源”技术——可控核聚变。
许多人好奇，为什么说核聚变是人类的“终极能源”技术？核聚变的发展历史是什么样的？可控核聚变到底为什么“难控”？核聚变要实现到什么程度，才能真正解决能源问题？下面就让我们来聊聊这些问题。
库兹卡的妈妈
1960 年联合国代表大会上，赫鲁晓夫向美国承诺，要让美国人看看“库兹卡的妈妈”，1961 年 10 月 30 日，美国人看见了。这一天，美国地震调查局发现，在新地岛附近，发生了一场里氏 5 级左右的地震。但很快，美国的一架侦察机发现，这不是什么地震，正是“库兹卡的妈妈”。
“库兹卡的妈妈”是苏联的俗语，就像中文的“给你点颜色看看”。这次，苏联人想让美国人见识的，是炸弹 AN602，所以这枚炸弹在苏联就被戏称为“库兹卡的妈妈”，而在西方它被称作“沙皇炸弹”。
图片来源：Wikipedia
苏联原计划的“库兹卡的妈妈”是一枚 1 亿吨 TNT 当量的超级核弹。但当时 1 亿吨级核弹的设计方案里，可能会引起比较大范围的放射性沉降。另外，这个量级的炸弹在投弹后，飞行员不可能有足够的时间逃离爆炸现场，基本是有去无回。所以苏联方面修改了炸弹设计，把爆炸当量削减了一半。
美国人见识到的，正是削弱版的“库兹卡的妈妈”。但即便是削弱版，它也是人类历史上威力最大的炸弹，它的爆炸当量是 5000 万吨，是“小男孩”原子弹的 3800 倍，是二战里所有常规炸弹的总能量的 10 倍。
“库兹卡的妈妈”爆炸的时候，产生了直径堪比珠穆朗玛峰高度的大火球（直径 8 千米），在 1000 千米外都能看见核爆的闪光。爆炸产生了一朵巨型蘑菇云，高度接近珠穆朗玛峰的 8 倍（67 千米高），蘑菇头部分宽 97 千米。之所以有这样的威力，是因为它利用了另一种原子核反应产生的能量——核聚变能。
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什么是核聚变？
核聚变是两个比较轻原子的原子核融合成一个较重原子核。这个过程也会释放出巨大的能量。同样重量的核聚变燃料（一般是氢的同位素氘、氚）能够产生核裂变 4 倍的能量，比烧石油或煤炭高 400 万倍。[1]
太阳的能量就是核聚变产生的。图片来源：Wikipedia
但核聚变并不容易发生。在说原子结构的时候我们提到过，原子核都是带正电的，两个原子核想要碰撞融合，必须克服斥力，让它们的原子核靠得足够近。这就需要提供超高温、超高压，把大量原子核压在一块，增加它们融合的机会。
这种条件在宇宙里并不难找，比如太阳和其他恒星内部，巨大的压力和高温能够维持核聚变反应。但在地球表面，想创造这样的条件并不容易。
用原子弹引发核聚变
在原子弹爆炸的时候，原子弹中心能够产生上千万度的高温，以及数十亿个大气压的压力。所以，人们自然会想到，在原子弹的核心旁边放上核聚变材料，利用原子弹爆炸时候的能量，也许能引发核聚变。
1951 年 5 月，一枚叫“乔治”的实验弹被推上了试验台，在原子弹核心，除了用来引发核裂变的材料之外，还有液态氘。科学家们希望通过它试验原子弹能不能引发核聚变。结果，它发出了远超过原子弹的爆炸威力，由此人们确认了，用原子弹引发核聚变是可行的。
乔治爆炸时的景象，图片来源：Wikipedia
因为最常使用的核聚变反应来自氢同位素氘和氚的聚变反应，因此，这类核聚变武器又被称为氢弹。虽然氢弹是利用了核聚变，但它是不受控制的核聚变，能够作为武器，但不能作为能源来使用。想要把它用作能源，同样需要“驯服”这股强大的能量。
可控核聚变
核聚变只有在非常极端的条件下才能发生，因此想要“驯服”这股能量极其困难。主要表现在以下几个方面：
首先，利用核聚变发电的条件太苛刻了。根据费米的计算，想利用核聚变发电，等离子体的温度要被加热到大约 5000 万摄氏度以上[2]。
可在地球的自然环境里，不存在这样的高温环境。当然了，科学家们能够利用技术手段创造出这样的高温环境，比如通过电场、粒子束、无线电波振荡（类似微波炉的原理）、磁振荡加热等等。但创造这样的环境，一方面需要消耗大量的能量。另一方面，会带来一个问题，没有任何物质能够盛放被加热后的等离子体。
目前已知的熔点最高的物质是碳化钽铪（Ta4HfC5），它的熔点是 4215 摄氏度。这个熔点和被加热后的等离子体相比，实在是差太多了。为了解决这个问题，目前最成熟的方法是用托克马克装置来约束等离子体，这也是目前最有希望成为核聚变反应堆的容器。
托克马克装置原理。图片来源：Wikipedia
托克马克装置是通过磁场约束，把等离子体束缚在装置内部，成为一个不断流动的圆环。当然了，目前的技术还不足以让核聚变反应自维持，还需要有辅热系统不断加热等离子流（一般用中性粒子束加热）。
目前，在托克马克装置的开发方面，我们国家走在世界前列。
中国科学院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置，在 2021 年 5 月，实现了在 1.2 亿度下运行 101 秒和 1.6 亿度下运行 20 秒的记录
。在 2021 年12 月 30 日，又在接近 7000 万摄氏度下运行了 1056 秒，创造了高温等离子体运行的最长时间纪录。
在 2023 年 4 月，全超导托卡马克核聚变实验装置又一次创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行 403 秒。
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尽管取得了这样突破性的成就，但距离我们使用核聚变发电，还有相当长的路要走。
运行之后，还有个关键数值
在核聚变发电领域，有一个非常重要的指标——Q 值。一个核聚变反应堆释放的能量和消耗的外部能量比值被称为 Q 值。
Q 值等于 1 的时候，意味着核聚变反应产生的能量等于它消耗的外部能量。但这时候，并不意味着它能够自我维持发电了，一般认为，当 Q 值大于 5 的时候，核聚变反应堆能够自我维持。[3]但在考虑到热能、动能、电能间的转化，国际上公认 Q 值要达到 10 以上核电站才能有收益。
而如果想成为商业化的核聚变发电站，Q 值还需要达到 30 以上。那到目前为止，人类已经实现的 Q 值最高记录为 0.67，而推算的理论最高值记录是 1.25（日本的 JT-60，以氘-氘做实验，如果换算成氘-氚，理论值是 1.25）。这个值距离核聚变反应堆的自我维持，以及用它来发电还差得很远。
但核聚变发电的诱惑实在是太大了，它和传统能源的差别，就像恒星和行星的差别一样，只要掌握了这种恒星级别的能源，人类的文明将向前迈进一大步。
因此，世界上许多国家的科学家们也在积极开发这种能源。比如，全世界 35 个国家共同参与的 ITER 项目，已经开始在法国建造实验室和各种设备了。建成后，它将是全世界最大的核聚变装置，预计在 2036 年开始进行全功率核聚变实验，计划能够实现 5~10 分钟 Q 值超过 10 的运转。[3]
2023 年 6 月 2 日，ITER 施工现场。图片来源：iter.org
不过目前，ITER 项目也正在面临工程技术的巨大挑战（点击查看：《1565亿元！史上最烧钱攻关项目，它到底是要做啥？》）。
可见，可控核聚变作为人类追求的“终极能源”，还有相当长的一段路要走，即便是各国科学家聚在一起共同努力，也面临着许多无法预见的困难。人类否能在本世纪“驯服”这种能源，我们拭目以待。
参考资料
[1] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion
[2] McCracken, Garry; Stott, Peter (2012). Fusion: The Energy of the Universe. Academic Press. ISBN 978-0-12-384657-0.
[3] https://www.iaea.org/sites/default/files/6211011zt.pdf
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作者丨科学边角料 科普创作团队
责编丨崔瀛昊
