如何在地球上制造一顆太陽

文| 馬 迪

根據科學家的估計，人類要實現可控核聚變商用可能只需要數十年，這意味著我們很有希望在有生之年里見證“人造太陽”的誕生。

近期，有關“核”的各種話題在全球范圍內引發了廣泛關注和熱議。這波討論的起因，既包括諾蘭導演的話題電影《奧本海默》讓人重溫了原子彈的恐怖威力，也源于日本開始向海洋排放核污染水的肆意妄為，很多人開始將與核有關的所有技術都視為恐怖和危險的代名詞。凡此種種，應該正確看待。

不管是原子彈還是當前各國運行的核發電站，其能量來源都是核裂變反應，也就是用中子轟擊不穩定的重元素放射性同位素原子（比如鈾235），使之分裂并釋放出更多的中子，從而擊中更多的鈾235，形成持續的鏈式反應。鏈式反應必須進行精密控制，一旦失控就是巨大的事故，就像切爾諾貝利和福島發生的那樣。

但看過《奧本海默》的我們知道，核反應除了裂變，還有一種叫做核聚變，它就是我今天想要介紹的主角。

簡單來說，核聚變是指由質量輕的原子（主要是指氫的同位素氘和氚）在超高溫條件下，發生原子核互相聚合作用，生成較重的原子核（氦），并釋放出巨大能量的過程。其實我們每天都能看到這個現象—已經燃燒了50億年的太陽，夜空中或明或暗的繁星，本質上都是一個個巨大的核聚變反應堆。

20世紀末，國際能源署曾向能源領域的2000位科學家發過一份調查問卷，其中一個問題是：人類的終極能源是什么？近80%的回答都是“核聚變”。

與核裂變（主要在核電站和原子彈中使用）相比，核聚變的放射性廢物要少得多，而且不會發生可能導致反應堆熔毀的失控鏈式反應。聚變產生的核廢料半衰期極短，即使發生事故也可以將危害降到最低，短時間內環境即可恢復正常。

核聚變另一個優勢在于其豐富的燃料儲量。海水中蘊含極豐富的氫元素的同位素“氘”就是最好的核聚變燃料，1克氘全部釋放的能量相當于8噸煤，這意味著隨便一座小型的可控核聚變發電廠就可以輸出千億瓦量級的電，電力將便宜到不用計量隨便用的程度。換言之，人類將徹底實現能源自由。

利用輕核聚變原理，1952年科學家就成功試爆了氫彈，但氫彈是不可控制的核聚變反應，能量以爆炸的形式被瞬間釋放。如果能讓核聚變按照人們的需要，持續穩定地釋放，就可以像太陽一樣帶來無窮無盡的能量。因此，可控核聚變反應堆又常常被稱為“人造太陽”。

核聚變不難，但難在“可控”二字，即合理地控制核聚變的速度和規模。由于原子核都帶有正電荷，只有極高的溫度、壓力才能克服原子核之間巨大的核力使得氫核結合。所以首先必須提高物質的溫度達到約1億攝氏度，使原子核和電子分開，成為等離子體，然后持續地控制等離子體的溫度、密度和封閉時間，三項條件缺一不可。

那么什么樣的容器能將承載這樣高溫的離子體呢？一種解決思路是利用強磁場，也稱為磁約束核聚變。20世紀50年代蘇聯科學家設計出一種被稱為托卡馬克（Tokamak）的環形容器。

理想的磁約束核聚變中，科研人員首先利用加熱系統將聚變燃料加熱至高溫等離子體狀態，然后利用磁場約束等離子中的帶電粒子，主要包括氘原子核和電子，帶電粒子會沿著磁場線螺旋運動，從而避免直接與外部的容器壁接觸，被磁場約束的等離子體將繼續升溫至超過1億攝氏度，直到引發核聚變反應。

目前在建的最大的實驗型聚變裝置為法國南部的國際熱核聚變反應堆。它使用等離子體半徑為6.2米的大型托卡馬克，整個機器將重達2.3萬噸。目前歐盟、英國、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國等國都加入了這個項目，ITER有望成為第一個以發電廠規模（約500兆瓦）展示持續電力輸出的核聚變反應堆。

另外，美國加州國家點火裝置實驗室（NIF）2022年12月宣布實現了史上首次“凈能量增益”，也就是從可控核聚變反應中提取的能量超過了觸發該反應的能量，為點燃“人造太陽”邁出了重要一步。根據科學家的估計，人類要實現可控核聚變商用可能只需要數十年，這意味著我們很有希望在有生之年里見證“人造太陽”的誕生。

那必將是載入人類歷史的奇跡時刻。