“人造太阳”应用前景可期

李伟

在地球上开发并运行“人造太阳”，被科学家视为解决能源问题的一个重要途径。但需要关注的是，太阳核心所发生的核聚变，其功率密度并不大。就算人类让可控核聚变成为现实，“人造太阳”能作为一种新的能源吗？

太阳核心的温度达到1500万摄氏度

“人造太阳”内部结构

2021年12月30日，中国EAST全超导托卡马克装置（“东方超环”）成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，创造了新的世界纪录。

据法新社报道，2021年5月，“东方超环”实现了温度1.2亿摄氏度、持续101秒，以及温度1.6亿摄氏度、持续20秒的等离子体运行;12月30日，它又实现了温度7000万摄氏度、持续1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。这些都是了不起的科研成果，也是中国在“人造太阳”开发方面所取得的重要阶段性成果。

与“东方超环”类似的装置，在科学界有统一的名称——托卡马克。它源自苏联科学家在20世纪50年代发明的一种环形容器。这个名称是其构成要素——环形、真空室、磁场和线圈的俄语缩写。顾名思义，它就是一个环形真空室，其中遍布由线圈提供的强大磁场。

在托卡马克装置中，强大的磁场对于带电的等离子体来说，相当于一个容器，且没有任何实物直接与等离子体接触。所以，等离子体可以被加热到极高的温度。当等离子体的温度足够高时，其氘、氚原子核的热运动就能克服彼此之间的排斥力，从而猛烈撞击，生成氦原子核，并放出中子和大量能量——这就是核聚变反应。

核聚变反应是太阳的能量源泉，托卡马克装置产生能量的原理是促成核聚变，所以这类装置被形象地称为“人造太阳”。

太阳表面的温度达5500摄氏度左右，这听上去是一个很高的温度，但在核物理领域可以说是微不足道的。虽然地球上没有太多能够承受如此高温的材料，但要达到这一温度并不困难。例如电焊设备生成的电弧，温度就高达6000—8000摄氏度。

太阳的核聚变反应发生在核心部位，其温度达到1500万摄氏度，这对人类来说无疑是个天文数字。不过，你可能想象不到，太阳核心发生的核聚变，功率密度只有每立方米276.5瓦。通过对比，我们就能认识到这个功率密度有多小——人体的发热功率密度约为每立方米100瓦。也就是说，太阳核心的功率密度只相当于人体的2.8倍。那么，它怎么能够为整个太阳系，包括地球生态圈提供能量呢？

答案是：太阳实在太大了。其质量占太阳系总质量的99.86%，其半径为70万千米，是地球的110倍。因此，就算功率密度较小，它仍然能够依靠庞大的体量产生巨大的能量。

在太阳的核心，质量按照爱因斯坦“质能方程”转化成能量。巨大的能量以可见光的形式向外界辐射，抵达遥远的地球。能量在穿过大气层时有所损耗，在到达地表时，仍然能够保持每立方米100瓦的水平。

太阳核心较小的发热功率密度带来一个好处——燃烧更持久。太阳能够发热，也会散热。帮助太阳核心“保暖”以维持其“体温”的，是整个太阳——这可比我们的羽绒服厚多了。更何况，太阳表面之外是真空，其大部分能量只能通过黑体辐射的形式散发出去，所以散热过程相当持久。

太阳从50亿年前开始核聚变的那一刻起，就没有从外界摄取过任何能量，但它还能再燃烧约50亿年。

持久稳定的能量供应，是地球生命诞生的重要条件之一。宇宙中出现的第一批恒星都比太阳大得多，其核心温度比太阳的核心温度高，核聚变功率密度也比太阳大得多。但是，正因为它们燃烧得太过剧烈，第一代恒星往往在几百万年内就燃尽了自己——这么短的时间远不足以支持复杂生命系统的诞生和发展。

可以说，正因为太阳的核心不够“热”，地球才能出现生命，人类才能诞生并发展至今。

如果人类开发的“人造太阳”，与太阳核心的功率密度相当，那么就难以解决能源问题，因为地球上不可能造出像太阳那么大的“人造太阳”。所以，科学家在制造“人造太阳”时，并未完全参照太阳的标准。

在太阳核心，氢元素主要是以单个质子的氕的形式存在，带一个中子的氘和带两个中子的氚并不多。当两个氕原子撞到一起，就形成氦元素——不带中子的氦-2。氦-2极不稳定，马上会变成两个质子。因此，这并不算真正的核聚变。

俄罗斯科学家曾设想用氢弹发电

只有当两个氕原子碰撞的一瞬间，相互作用力主导的β衰变让一个质子衰变成中子，并放出电子和电中微子，才能形成氘原子核，并稳定存在。然后，氘原子核继续进行核聚变，产生能量。所以，太阳核心的核聚变反应，效率是非常低的。如果“人造太阳”模仿这种核聚变反应，就看不到应用前景。

在上述核反应中，最关键的是氦-2里面没有中子，极不稳定。如果一开始就用带中子的氘或氚进行反应，那么就不需要依靠β衰变，可以直接生成氦-4，并产生大量能量。温度的提升能大幅增大核聚变的功率——“人造太阳”模仿的是这种核聚变反应。其温度比太阳核心的温度要高得多，超过1亿摄氏度。反应过程也比太阳核心更合理，这才有机会实现比太阳核心大得多的功率密度，从而成为可利用的能源。

厘清了“人造太阳”的工作原理，我们就能够明白，目前的托卡马克装置只有继续提高等离子体的温度，增大等离子体的密度，延长等离子体的运行时间，才能实现可控核聚变。温度、密度和时间三者的乘积被称为“三重积”，只有它超过一定数值，才能形成向外供能的人造核聚变装置。

人类其实很早就让“三重积”越过了核聚变的门槛，氢弹就是实例。不过，氢弹温度太高，功率密度太大，利用起来难度极大。俄罗斯物理技术研究院在1997年出版了《核爆氘能能源学》，系统地分析了“氢弹发电”方案的可行性。俄罗斯科学家设想在山体中挖出一个空腔，在其中引爆氢弹，将热量转移出来，用于发电。不过，到目前为止，还没有一个国家实践过这种发电方式。

除了托卡馬克装置，科学家还利用“惯性约束”装置促成核聚变，其目标是实现输出能量大于输入能量。2021年8月8日，三个足球场大小的美国“惯性约束”装置，将192束总能量为1.9兆焦的激光在20纳秒内聚焦到一粒胡椒大小的核聚变材料上，释放出1.35兆焦的能量，输出能量达到输入能量的70%——这已接近能量平衡点。

总体上，以“人造太阳”为代表的可控核聚变装置离人类越来越近。未来的核聚变实验反应堆（ITER），其目标就是实现可控核聚变，让核聚变的输出能量达到输入能量的10倍左右，从而实现“人造太阳”的实际应用。

编辑：姚志刚  winter-yao@163.com