近日，由于我国新一代人造太阳“中国环流三号”的科研进展令人瞩目，以及一些与核技术有关的事件，很多人都在关注人类的“终极能量”。能源”技术——受控核聚变。
很多人好奇为什么核聚变被认为是人类的“终极能源”技术？核聚变的发展历史是怎样的？受控聚变为何如此“难控”？核聚变能达到什么程度才能真正解决能源问题？我们将在下面讨论这些问题。
库兹卡的妈妈
1960年，赫鲁晓夫在联合国大会上向美国承诺，他将向美国人展示“库兹卡的妈妈”。 1961年10月30日，美国人亲眼目睹了这一幕。
当天，美国地震调查局发现新地岛附近发生了约5级地震。但很快一架美国侦察机发现这不是地震，而是“库兹卡的妈妈”。
“库兹卡的耀明”是一句苏联谚语，就像中文的“给你颜色看看”一样。这次苏联人想让美国人看看AN602炸弹，因此该炸弹在苏联被戏称为“库兹卡妈妈”，而在西方则被称为“沙皇炸弹”。
图片来源：维基百科
苏联最初的“库兹卡耀明”计划是一枚产量为1亿吨TNT的超级核弹。
然而，100兆吨核弹的设计可能会导致相对广泛的放射性尘埃。另外，投下如此规模的炸弹后，飞行员无法有足够的时间逃离爆炸现场，而且基本上没有回头路。于是苏联改变了炸弹的设计，将爆炸当量减少了一半。
美国人看到了淡化版的“库兹卡妈妈”。但即使是弱化版本，它也是人类历史上威力最强的炸弹。它的爆炸当量为5000万吨，是“小男孩”原子弹的3800倍，是二战所有常规炸弹总能量的10倍。
“库兹卡耀明”爆炸时，形成了一个直径堪比珠穆朗玛峰高度（直径8公里）的大火球，1000公里外都能看到核爆炸的闪光。爆炸产生了巨大的蘑菇云，其高度几乎是珠穆朗玛峰（高67公里）的八倍，峰顶宽97公里。
它之所以拥有这种力量，是因为它利用了另一种原子核反应产生的能量——核聚变能。
图片来源：维基百科
什么是核聚变？
核聚变是两个较轻原子的原子核融合成一个较重的原子核。这个过程还释放出大量的能量。相同重量的聚变燃料（通常是氢同位素氘和氚）可以产生比核裂变多4倍的能量，比燃烧石油或煤炭多400万倍。 [1]
太阳能是通过核聚变产生的。图片来源：维基百科
但核聚变并不是凭空发生的。
在谈论原子结构时，我们提到原子核带正电。如果两个原子核想要碰撞并合并，它们必须克服排斥力并使它们的原子核足够接近。
这需要极高的温度和极高的压力来压缩大量原子核并增加它们聚变的机会。
这样的条件在宇宙中并不难找到。例如，在太阳和其他恒星内部，巨大的压力和高温可以维持核聚变反应。但在实地创造这样的条件并不容易。
使用原子弹引发核聚变
原子弹爆炸时，原子弹中心可产生数千万度的温度和数十亿个大气压的压力。
因此，人们很自然地认为，将聚变材料放在原子弹的核旁边，利用能量引爆原子弹，就可以引发核聚变。
1951年5月，一枚名为“乔治”的实验炸弹被投向试验对象。除了用于引发核裂变的材料外，原子弹的核心还含有液态氘。科学家希望用它来测试原子弹是否能够引发核聚变。结果，它产生了远比原子弹威力更大的爆炸，证实了原子弹可以用来引发核聚变。
乔治爆炸时的场景，图片来源：维基百科
由于最常用的核聚变反应是氢同位素氘和氚聚变的结果，因此这种核聚变武器也被称为氢弹。
氢弹虽然采用核聚变，但属于非受控聚变，可以作为武器但不能作为能源。
想要将其作为能量来源，还需要“驯服”这种强大的能量。
受控核聚变
核聚变只能在非常极端的条件下发生，这就是为什么“驯服”这种能量极其困难。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。根据费米的计算，如果要利用聚变来发电，等离子体的温度必须被加热到约5000万摄氏度或更高[2]。然而，在地球的自然环境中，还没有如此高温的环境。
当然，科学家可以利用技术手段来创造这样的高温环境，比如通过电场、粒子束、无线电波振荡（类似于微波炉的原理）、磁振荡加热等。
但创造这样的环境需要大量的精力。另一方面，出现了一个问题：没有任何材料可以容纳加热的等离子体。
已知熔点最高的物质是碳化钽铪（Ta4HfC5），其熔点为4215摄氏度。与加热的等离子体相比，这个熔点确实相差甚远。
为了解决这个问题，等离子体约束最成熟的方法是使用托克马克装置，这也是目前最有前途的聚变反应堆容器。
托克马克装置的原理。图片来源：维基百科
托克马克装置利用磁场约束将等离子体束缚在装置内部并形成连续流动的环。当然，目前的技术还不足以让核聚变反应自持续，还需要额外的加热系统（通常由中性粒子束加热）来持续加热等离子体流。
目前，我国托克马克装备发展处于世界前列。
2021年5月，中国科学院合肥物质科学研究院全超导托卡马克核聚变试验装置实现1.2亿度运行101秒、1.6亿度运行20秒的记录。
2021年12月30日，它在近7000万摄氏度下又运行了1056秒，创下了高温等离子体运行时间最长的记录。
2023年4月，全超导核聚变试验装置托卡卷在403秒内成功实现稳态高约束等离子体运行，再次刷新世界纪录。
图片来源：新华社
尽管取得了突破性的成就，但我们距离利用核聚变发电还有很长的路要走。
运行后键值还在
在核聚变能源生产领域，一个非常重要的指标就是Q值。
聚变反应堆释放的能量与消耗的外部能量的比率称为Q值。如果Q值等于1，则表示聚变反应产生的能量等于其消耗的外部能量。
但就目前而言，这并不意味着它可以自行停止发电。一般认为，如果Q值大于5，聚变反应堆就可以自行处理。 [3]
然而，如果考虑到热能、动能和电能的转换，国际上公认，核电站要想盈利，Q值必须达到10以上。而如果想成为商业化的热核电站植物，Q值必须达到30以上。
迄今为止，人类取得的最高Q值记录为0.67，计算出的理论最高值记录为1.25（日本JT-60是用氘-氘进行测试的，如果换算成氘-氚，理论值为1.25）。这个值距离聚变反应堆及其用于发电还很远。
但产生核聚变能的诱惑太大了。它与传统能源的区别就如同恒星与行星的区别一样。只要掌握了这种恒星级能量，人类文明就会向前迈进一大步。
因此，世界许多国家的科学家都在积极开发这种能源。例如，全球35个国家参与的ITER项目已在法国开始建设实验室和各种设备。一旦建成，它将成为世界上最大的核聚变装置。预计2036年开始全功率聚变试验，计划在5-10分钟内实现Q值超过10的运行[3]。
2023年6月2日，ITER施工现场。图片来源：iter.org
但目前，ITER项目也面临着工程技术方面的重大挑战（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，受控核聚变作为人类寻求的“终极能源”还有很长的路要走。即使来自不同国家的科学家聚集在一起进行合作，他们仍然面临许多不可预见的困难。本世纪人类能否“驯服”这种能源还有待观察。
参考
[2] 加里·麦克拉肯；彼得·斯托特（2012）。聚变：宇宙的能量。学术新闻学。 ISBN 978-0-12-384657-0。
策划及制作
作者丨科学遗存科普创作团队
主编丨崔英浩
