這兩天看到一則報道，位於我國合肥的“人造太陽”託卡馬克裝置，將於近期完成升級，之後將朝著“溫度一億攝氏度燃燒100秒”的新目標進軍，切實體現了我國在受控核聚變領域，世界第一梯隊的實力。
那麼說到底，“人造太陽”這個名字，聽著就感覺極度高大上，但到底是個啥呢？還有受控核聚變，核聚變我聽說過，那麼受控核聚變又是什麼呢？
其實呢，人造太陽和受控核聚變是緊密相連的，你可以理解為“受控核聚變”是本質原理，人造太陽就是應用這個原理的一個人造裝置，裝置的全稱叫做“託卡馬克核聚變實驗裝置”，因為受控核聚變也是太陽的工作原理，因此我們又把這個託卡馬克裝置叫做人造太陽。
我們先從核聚變入手，談到核聚變，想必大家的第一反應就是氫彈，比如前蘇聯曾經引爆過一顆5000萬噸TNT當量的氫彈——沙皇炸彈，這是人類目前使用過的最大威力的核武器，但威力大歸大，可是核武器也只有在戰爭中才會被使用，那麼有沒有可能讓核武器釋放的巨大能量服務於人類日常生產活動呢？
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於是最先研究成功並已經投入使用的就是核裂變電站了，但利用核裂變這種方式有兩個弊端，一是核材料十分有限且昂貴，二是會產生具有長期放射性的核廢料
於是科學家就把目光轉移到核聚變身上來了，因為核聚變產能無需擔心上面兩點，因為原材料極其普遍且廉價，其次純粹的核聚變是不會產生長期放射性核廢料的
我們來看原材料，主要有兩個：氫同位素——氘，這個氘呢，其實就是普通的氫原子核裡面多了一箇中子；還有一個就是鋰
其中氘的來源就是海水，大概每升海水含有30毫克氘，雖然聽上去很少，但奈何我們地球的海水儲量足夠大啊，因此算下來，海水中含有的氘，足足有40萬億噸，而地球上鋰的儲備也足足有2000多億噸（其實海水裡就有氯化鋰可供使用）
所以這是一個什麼概念呢？也就是說這些原料，按照目前的能源消耗水平，足夠人類使用一百億年了！
而我們知道，太陽的壽命將會在50億年後終結，屆時地球也會被膨脹的太陽所吞噬，因此可以這樣說，對人類來講，核聚變的原料是取之不盡用之不竭的。
話雖如此，原料充足並不意味著核聚變就是那麼好利用的，像氫彈那樣一次性的爆發式能量對人類沒有用處只有危害，所以我們得想辦法讓核聚變能量釋放過程慢下來，慢到足夠我們處理這些能量，也就是前面所講的受控核聚變。
因此我們必須知道核聚變這個過程到底是如何發生的，其實回顧核能研究史，核聚變概念的出現甚至是早於核裂變的，如果不追究細節的話，其實在上世紀二十年代，英國物理學家亞瑟愛丁頓為破解太陽燃燒之謎，就提出了核聚變的概念
不過真正意義上從實驗證實的，還是1939年由漢斯貝特完成的，成功證實了氘、氚兩個原子核加速撞擊後，形成了一個氦核和一箇中子，並且釋放了17。6兆電子伏特的能量。
並且漢斯貝特還正式解釋了太陽內部核聚變的反應過程，也就是所謂的質子質子鏈反應，太陽內部主要的聚變形式，是四個質子經過一系列過程最終形成氦核，並且這個過程中會釋放相當可觀的能量。
不過這種聚變方式很難在地球實現，因為這依靠的是恆星特有的引力約束模式，也就是說大質量的前提下，太陽中心溫度為1500萬攝氏度、壓強相當於2500億個標準大氣壓，由此太陽中心密度是水密度的150倍，之後再透過量子隧穿效應的幫助，使得太陽能夠持續穩定地燃燒起來，這個過程還將持續50億年，那麼總結下來就是四個字：高溫高壓
但這些要求呢，本質上都是為了提高氫核能相互撞擊的機率，高溫是負責克服電磁力，因為同性相斥，所以兩個氫核必須要有強大的動能，才能靠的很近，最後透過強核力捕獲維持在一起
而高壓則是兩個方面的表現，密度和約束時長，其實也很好理解，密度就是單位體積內粒子數量，約束時長也就是把它們放到一起的時長，很顯然，這二者越高越有利於撞擊融合發生。
因此我們唯有想辦法在溫度、密度以及約束時間上辦法做文章，因此在1957年，英國物理學家勞森透過研究，給出了一個判斷標準，想要完成自持式的聚變燃燒，那麼溫度、密度、約束時長，這三者的乘積必須大於某一特定值才行，這就是所謂的勞森判據！如此一來，才能叫做受控核聚變點火成功。
這裡再簡單說一個什麼是自持式聚變，比方說我把一堆木柴放到一塊，然後澆點油，最後點個火，這堆木柴就能一直燃燒殆盡，這個過程中我們只需要點一個火就可以了，接下來的然燃燒都是靠木柴自己完成，釋放熱量維持溫度。
而受控核聚變也應如此，我們將核原料放到一起，加把火，給它們熱起來發生核聚變，然後就透過它們自己產熱來維持聚變的不斷髮生，我們只需要不斷加新原料，排出廢料就行了，這就達到了自持式狀態，此外如果這個過程產出的能量能夠大於輸入的能量，那麼就算是達到了可行性要求。
但是還有個關鍵問題，科學家們發現想要在地球上實現受控核聚變，反應所需要的溫度需要上億攝氏度才行，而如此高溫的一團核原料，我該用什麼爐子去裝它呢？
聰明的蘇聯人想到了解決辦法，首先這麼高的溫度，核原料早已成為等離子體了，也就是原子核和電子處於完全分離狀態，那不就是帶電粒子麼，那我們用磁場來約束它們好了呀！
讓它們處於一個環形磁場中，在裡面不斷繞圈，但又不直接接觸爐壁，這樣一樣，熱傳遞的三種形式，就直接排除熱傳導和熱對流，只剩下熱輻射了，這樣一來對於爐子的材料要求就降低了。
於是第一個人造太陽裝置，也就是託卡馬克裝置就在上世紀五十年代被造出來了。開頭看似很順利，但之後的過程則是相當艱辛，因為那時候科學家們發現，我要維持爐子燃燒的狀態，消耗的能量竟然大於產出的能量，這不是賠本買賣嗎？但好在它還是有能量產出的，於是往後的幾十年裡，就一直都在想辦法讓買賣做到穩賺不賠，而且慶幸的是，人類似乎押對寶了，受控核聚變離真正投入使用的時間似乎也越來越近了。
咱們今天聊得已經夠多了，不過這個人造太陽受控核聚變還有挺多方面沒細講的，此外中途提到的人類研究太陽核聚變也是一段波瀾壯闊的歷程，咱們也能仔細聊聊，等下次吧。