普天之下皆能量，为何扎堆“造太阳”？

前段时间，有媒体报道，韩国人造太阳KSTAR成功地将等离子体在1亿度下维持了48秒。

人造太阳KSTAR是什么？人造太阳是指国际热核聚变实验堆计划，KSTAR是韩国一款超导核聚变装置，研究者们将氢同位素放在这样的聚变装置内，制造出离子和电子分离的等离子状态，且离子必须加热并保持在极高温度下，以模拟核聚变反应。

而核聚变，准确来说可控核聚变能，又被誉为人类终极理想能源、能源领域的“圣杯”、未来能源的唯一方向。此时此刻，在世界的各个地方，有无数人正在为此前仆后继。

图1：核聚变实验装置ITER 图源：GJ

能量

什么是能量？根据我们小学二年级学过的爱因斯坦的质能方程E=mc2来看，能量是物质的动态形式。

看似不相干的物质和能量，不过是一个硬币的两个面。简单来说，就是能量和物质是等价的，它们可以相互转化（有争议）。能量是释放了的物质，物质是浓缩了的能量。如果说世界是物质的，那么世界也是能量的。[1]

（懂了，以后再有人跟我们抱怨这个世界太物质了，我们就说这个世界也太能量了，然后再跟他争论这个世界是先有物质还是先有能量）

核聚变

人类的生活离不开能量，提供能量的物质便是能源，然而化石能源终将会耗尽、全球能源需求却不断攀升之际，人们对一种潜在的无限能源——核聚变能的兴趣达到了前所未有的高度，纷纷入局。

核聚变能利用的燃料是氘和氚，反应产物是α粒子（氦核）和一个高能中子。20%的能量被α粒子吸收并被送回背景等离子体。这样，α粒子就可以补偿损失，使反应自我维持。

氘在海水中大量存在：海水中氘含量估计为4.6 x 1013 t1，相当于～5 x 1011TWy（terawatt-years）。海水中氘的聚变能可用几百亿年，每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。

氚是氢的放射性同位素，通过发射电子衰变为3He。

氚可以由锂制造：锂主要有6Li和7Li两种同位素。6Li吸收一个热中子后，可以变成氚并放出能量。7Li要吸收快中子才能变成氚。在核聚变的聚变反应堆设计中，产生的中子将被用来轰击增值毯以实现生产氚。

地球上锂的储量虽比氘少得多，也有两千多亿吨，以此制造氚，足够等氘氘聚变的时候。

因此，理论上，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。

如何发生核聚变反应

发生聚变反应，第一步是要使燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。等离子体的温度、密度和约束时间三者乘积称为“聚变三重积”。

达成热核聚变反应，需要特殊的反应容器以获取和维持足够的反应条件，现途径主要有两种：一种是磁约束，利用线圈产生强大的磁场，来约束聚变物质；另一种是惯性约束，利用多束强大的激光束或粒子束，聚焦于一个米粒大小的氘靶丸上，瞬间压缩产生高温高压。

前苏联发明了一种具有优良的容纳高温等离子体能力的磁约束装置，被称为托卡马克（Tokamak），此后一直是主流核聚变研发的焦点，前文所提KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research）便是，而被称为“人造太阳”的国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）项目是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。

图2：ITER及其主要部件示意图 图源：ITER

关于ITER物理设计基础，涉及等离子体约束、贝塔值、密度极限、功率和微粒排放等等。

等离子约束：在世界各地托卡马克的联合工作的基础上，建立了等离子体约束的统一实证标度律。ELMy Hmode等离子体的标度律正是ITER中标准操作的基础：

式中，R(m)、a(m)和κ为大小半径和伸长率，M(kg)、Ip(MA)、Bt(T)、n19(1019m−3)和P(MW)分别为离子质量、等离子体电流、环形磁场、电子密度和加热功率。与H模式相比，能量约束的改善以HH因子表示，即

贝塔值：由于聚变功率密度与β2B4成正比，一个较高的beta值更适合制造一个紧凑的聚变反应器。贝塔极限受磁流体动力稳定性的约束，经过深入的理论和计算研究表明，最大可达到的beta值的公式如下：

式中，a(m)、Ip(MA)和Bt (T)分别为等离子体小半径、等离子体电流和环形磁场，比例常数βN称为normalized beta value。

密度极限：在托卡马克等离子体中，等离子体密度的过度增加会导致约束时间的退化。实验表明，临界密度遵循以下关系：

式中，a(m)和IP(MA)分别为小半径和等离子体电流，nGW(1020m−3)称为格林沃尔德密度极限。1988年，核聚变科学家马丁·格林沃尔德提出的定律将燃料密度与托卡马克的小半径和在托卡马克内部等离子体中流动的电流相关联，自此格林沃尔德极限一直是聚变研究的基本原则。但这种密度极限尚不确定，核心等离子体密度可以被设计成大于格林沃尔德极限。

以上等等均构成了ITER物理设计基础，磁约束核聚变反应堆在诊断、快粒子物理、集成运行方案、磁流体稳定性、台基物理、偏滤器与刮削层物理、约束和输运等研究方向上均涉及无数物理问题，是我们难以想象的复杂工程。

结语

地球本身蕴藏的化石能源是非常有限的，终将会枯竭，核聚变几乎是人类可以想象到的最顶级的能源，“人造太阳”计划已迈过数十年历程，我们期盼着人类未来从“石油文明”走向“核能文明”。（这话说得怎么这么熟悉？不会有人看着看着就打开了戴森球计划了吧？）

[1] 参见：国家核安全局，海洋：未来的核能之源