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核聚变是宇宙中最基本的重要物理过程之一。这些反应不仅是我们最重要的能源，它们还从早期宇宙最基本的组成部分创造了生命的基石。虽然我们人类今天所使用的能量已经转化为各种其他形式，被锁在我们食物中的碳水化合物和为我们的汽车提供动力的碳氢化合物的化学键中，但它最初作为太阳能从我们最近的聚变反应堆（太阳）落到地球上。
受控核聚变作为未来地面能源的前景吸引了几代人，但与原子武器的利剑不同，聚变的前景是一个真正无限的能源生产，没有环境问题，强大和密集，没有遗留的放射性子孙后代。当我们能够彻底控制地球上的聚变反应时，我们将驯服一小块“宇宙之火”，并为人类在未来的长期繁荣铺平道路。
本期就让小编带着大家了解这个有着巨大前景又极其复杂的领域。
首先我们一起带着三个问题来追根溯源，什么是原子核？什么是核聚变？谁发现或创造了核聚变？
其实， 大自然自己创造了核聚变。宇宙大爆炸的一亿年以后，由无数的原始氢云形成了巨大的气态球体，气态球体超高密度氢气和超高温度的核心，导致了第一次核聚变反应的发生，也由此产生了第一颗恒星。此后一直到今天，仍然有几十亿的恒星不断地诞生出来。
在我们可观测的宇宙范围内，核聚变是物质的最主要形态。以我们所在的太阳系为例，太阳系质量的99.86%都集中在太阳，并且都正处于核聚变的状态中。
20世纪初以前，太阳和星星发光一直是人类无法解释的奇观。直到1925年，英国天体物理学家阿瑟·艾丁顿发表了一篇论文，他理论上认为太阳等恒星是由核聚变反应驱动的，其中氢核结合形成氦气。到20世纪50年代，科学家们开始考虑人类如何利用这个过程来产生大量的能量。
相信此刻大家已经有了一定的了解，那我们就来继续揭晓它。在我们深入研究太阳的心脏之前，一些基础知识必须弄清楚。
原子核
这个小介绍是为那些不熟悉原子物理的人准备的。一切都是由原子组成的。它们是任何物体最小的不可分割的单位。原子的中心核是原子核，原子核密度很大，充满了原子的大部分质量，电子围绕着它旋转。
什么是原子核？
原子核由两种粒子组成——质子和中子。质子有单位正电荷（1.6x10（-19）次方库仑），而中子是中性的。一个原子的类型是由其中质子的数量决定的。
自然界中有92种不同类型的原子。氢是你能想到的最简单的原子类型。它的核只是一个质子。每个原子都用其化学名称的缩写来表示。当我想表示氢时，我用符号“H”。
原子量
原子量是原子核中质子和中子的总数，而原子序数是构成原子的质子或电子的数目。由于热核反应发生在一百万开尔文的水平上，所有的原子在太阳核心都被剥夺了它们的电子。
什么是核聚变？
太阳是一颗恒星，所有的恒星都是巨大的气体球，主要由大量的氢和氦组成。大约75%是由氢组成的，而其余的大部分都是氦。
核聚变是两个或多个轻核相互碰撞形成一个重核的反应。这种反应发生在原子序数较低的元素上，如氢。它与重元素扩散形成轻元素的核裂变反应相反。核聚变和核裂变都产生大量的能量。（下期我会着重展开核聚变和核裂变的区别，请大家关注）
宇宙中的核聚变
宇宙中的每一颗恒星，包括太阳，都因核聚变而存活。正是通过这个过程，它们产生了如此惊人的热量和能量。任何恒星核心的压力都非常高，核聚变反应就是在这里发生的。
例如，太阳核心的温度在1500万摄氏度左右。在这个温度下。再加上非常高的压力，氢的两种同位素，氘和氚，融合形成氦，并以热的形式释放出大量的能量。在太阳中，每秒大约有6亿吨的氢转化为氦。
我们可以想象一下，如果你拿着你加热过的水，一直加热到它分解成发光的等离子体。如果你一直加热它，直到组成它的原子温度达到数百万开尔文。在这一点上，这些氢原子将开始有足够的能量来克服这些电离原子核相互感觉到的电磁排斥。在这样的速度下，原子核可以猛烈地相互撞击，以至于紧紧地挤在一起。在这些距离上，电磁力是不可匹敌的，而已知宇宙中最强大的力量可以接管，强大的核力。这种力把组成这些原子的粒子挤得更紧，使它们融合在一起，一个新的原子诞生了。然而，仔细观察这些反应的产物，人们会发现一个问题。好像少了一些东西！阿尔伯特·爱因斯坦著名的“能量与物质相等方程"解释了这种差异。两者可以互换，像这样的核反应就是证明。正是这个缺失的质量被转化为能量，使得轻元素的聚变反应放热，并最终提供能量源，为你、我和我们周围的宇宙提供燃料。
更惊人的是聚变反应所需的一克氢同位素可以产生11吨煤的能量。与传统的核反应堆不同的是，核反应堆采用裂变反应，铀原子在裂变反应中分裂，带有聚变反应堆的发电厂不会产生大量放射性废物。（它的副产品是氦气，一种惰性气体。）它也会安全得多，因为聚变能的生产不会基于链式反应，所以它不会失控并发生熔毁。
即便如此，聚变能长期以来仍然是一个难以捉摸的未来愿景，这在很大程度上是因为“要人工复制地球上为恒星提供能量的熔炉是复杂而困难的”，而不需要消耗比这个过程产生的更多的能量。极端的温度和压力需要克服通常排斥氢原子的力，而不是让它们结合原子核。
此后的事情正如我们所知道的那样，在爱丁顿实现理论突破后还不到一个世纪的时间里，就建立了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，该计划旨在向世人证明：太阳和星星核聚变反应产生的能量可以在人造装置中得以实现应用。
近年来，科学家们在使核聚变最终成为现实方面取得了重大进展。“聚变背后的大多数关键物理问题已经得到了解答，”刊物《电力》2020年的一篇文章中写道。
中国对核聚变的研究，起步于1955年，当时钱三强等科学家发现了这个前沿领域，提出我国自主研究的新课题。后来托卡马克装置的出现，为各国指引了研究方向，中国团队也成功组建造出自己的托卡马克装置。
人造太阳就是见证
随后中国相关研究逐渐步入世界领先地位。在中国立志自己研发ITER项目以后，科学家们投入大量心血，终于我国自主研发的新一代“人造太阳”，也就是“中国环流器二号”成功诞生。
中国的这项研究，不仅成为世界核聚变领域的领跑者，还让这一领域的研究得以延续。
图片来源于澎湃新闻
图片来源于澎湃新闻
虽然ITER不会发电，但它可能为未来的核聚变电站铺平道路，而核聚变电站将成为未来的核聚变电站。
接着我们继续学习核聚变，看看反应堆将如何工作。
反应
目前的核反应堆利用核裂变发电。在核裂变中，你从把一个原子分裂成两个原子得到能量。在传统的核反应堆中，高能中子分裂了铀的重原子，产生了大量的能量、辐射和放射性废物，这些废物能持续很长时间（具体可以参考我后续的文章：核能的工作原理）。
在核聚变中，当两个原子结合形成一个原子时，你就得到了能量。在聚变反应堆中，氢原子聚集在一起形成氦原子、中子和大量能量。其实这和氢弹和太阳的动力反应是一样的。这将是一种比核裂变更清洁、更安全、更有效和更丰富的能源。
聚变反应有几种类型。大多数涉及氢的同位素，称为氘和氚：
质子-质子链-这个序列是太阳等恒星使用的主要聚变反应方案。两对质子形成两个氘原子。每一个氘原子与一个质子结合形成一个氦-3原子。两个氦-3原子结合形成不稳定的铍-6。铍-6衰变为两个氦-4原子。所有这些反应产生高能粒子（质子、电子、中微子、正电子）和辐射。
氘-氘反应-两个氘原子结合形成一个氦-3原子和一个中子。
氘-氚反应-一个氘原子和一个氚原子结合形成一个氦-4原子和一个中子。释放的大部分能量是以高能中子的形式存在的。
从概念上讲，在反应堆中利用核聚变是一件轻而易举的事。但目前科学家们很难想出一种可控的、非破坏性的方法。为了理解原因，我们需要研究核聚变的必要条件。
同位素
同位素是同一元素的原子，其质子和电子数相同，但中子数不同。聚变中的一些常见同位素是：
质子是一种氢同位素，只有一个质子，没有中子。它是氢最常见的形式，也是宇宙中最常见的元素。
氘是一种氢同位素，有一个质子和一个中子。它没有放射性，可以从海水中提取。
氚是一种氢同位素，有一个质子和两个中子。它具有放射性，半衰期约为10年。氚不是自然产生的，但可以通过中子轰击锂来产生。
氦-3是一种氦同位素，有两个质子和一个中子。
氦-4是最常见的，天然存在的氦，有两个质子和两个中子。
核聚变的条件
当氢原子融合时，原子核必须结合在一起。然而，每个原子核中的质子会互相排斥，因为它们有相同的电荷（正电荷）。如果你曾经玩过试着把两块磁铁放在一起，感觉到它们相互推开，就是这个原理。
为了实现融合，你需要创造特殊的条件来克服这种倾向。以下是使核聚变成为可能的条件：
高温给氢原子足够的能量来克服质子之间的电排斥。
核聚变需要大约1亿开尔文的温度（大约是太阳核心温度的六倍）。
在这种温度下，氢是等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，在这种状态下，所有的电子都从原子中剥离出来，自由地运动。
太阳通过其巨大的质量和地心引力来达到这些温度。我们必须利用微波、激光和离子粒子的能量来达到这些温度。
高压把氢原子挤在一起。它们之间的距离必须在1x10-15米范围内才能熔断。
太阳利用自身的质量和引力将其核心的氢原子挤在一起。
我们必须用强磁场、强激光或离子束把氢原子挤在一起。
用目前的技术，我们只能达到使氘氚聚变成为可能所需的温度和压力。氘-氘聚变需要更高的温度，这在未来是可能的。最终，氘-氘聚变会更好，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚更容易。而且，氘没有放射性，氘-氘反应会产生更多的能量。
核聚变的应用
聚变的主要应用是发电。核聚变可以为后代提供一种安全、清洁的能源。
相信大家了解后会产生以下几个问题：
核电对环境有什么影响？
核电对环境的影响源于核电循环、核电运行以及核事故的影响。温室气体排放的健康风险比煤炭排放的风险要小。虽然核电站不排放二氧化碳，但在与核电站建设和运行有关的运行和活动中排放了大量的二氧化碳。
聚变和裂变产生放射性废物的方式一样吗？
核裂变发电厂产生不稳定的核，其中一些核具有数百万年的放射性。另一方面，核聚变不会产生任何长寿命的放射性核废料。聚变反应堆产生氦，氦是一种惰性气体。它还在工厂内以闭路方式生产和消耗氚。氚具有放射性（β发射体），但其半衰期很短。因此，它的使用量很低；与长寿命放射性核不同，它不会产生任何严重的危险。
聚变能引起核事故吗？
不，因为聚变能的产生并不像核裂变那样以链式反应为基础。等离子体必须在外部加热系统的支持下保持在非常高的温度，并受到外部磁场的限制。反应堆工作结构的每一次改变或改变都会导致等离子体冷却或失去其安全壳；在这种情况下，反应堆会在几秒钟内自动停止，因为能量生产过程被阻止，外部不会发生任何影响。因此，聚变反应堆被认为是本质安全的。
好了，本期的了解就到这了，我是痞子，如果你对我的科普感兴趣，可以关注我并且留言哦。
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作者：痞子，90后工科男，有过三次创业经历，目前从事高新科技。科普、分享个人精进干货，一起学一点~
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