文 | 怡然探索
编辑 | 怡然探索
一升水可“变”三百斤油？全球都在致力研发核聚变装置，而中国已经率先完成核聚变的国际重大突破，我国自主研发的“人造太阳”正式建成并且放电成功，能源危机即将得到拯救。
中国“人造太阳”东方超环
2020年7月28日，国际热核聚变试验堆计划工程，在法国启动。装置的重要主体安装由中国牵头。
国际热核聚变实验堆
在工业大国法国的土地上建设的项目，总装却由中国负责，那么中国在可控核聚变领域已经达到了个什么样的水平呢？
01 目前的能源在新能源之前，地球上主要供人类使用的资源一般为化石能源、煤炭、天然气等等。据估计，这些能源大约还可供人类使用200年，它们看起来很多，但是蕴含很多像环境污染、不可再生等大问题，比如雾霾、温室效应等都是由化石能源的燃烧造成的。
化石能源燃烧所产生的大量废气
随着各国开始环保低碳计划，清洁能源进入了人们的生活，风力发电、潮汐发电等，都很好地代替了旧能源，但是万事都有它的利弊，清洁能源也不例外。
比如风能就有着造价高、发电量有限、受气候影响大的问题，太阳能则存在着转化率低等问题，想要用全部的太阳能来代替煤和石油，是完全不可能的。
风能、太阳能等一类的清洁能源
02 核裂变核能源一直都是目前国际上着重研究的项目。
人们通过核电站和原子弹的原理，发现了核裂变的可利用之处，它的裂变率非常高，目前也在一些领域投入使用，作为化石能源的替代，但是核裂变并不是最好的能源选择。它与化石能源一样，存在着许多问题。
首先，核裂变也是个有限的能源。核裂变的主要物质便是铀235，它在地球上的产量也很低，目前地球上的铀235，再开采个几十年就会开采完。而且它所产生的污染比化石能源废气更加严重。
铀235
或许大家都听说过日本之前通过的“向海水中排放核废料”的决定，事件一出便引起了全球的抗议。核废料具有放射性，且它可以放射几百甚至几千年，尤其对生物的影响最大，严重可引起变异。
受辐射影响的变异番茄
因此，核裂变也不是更好的选择，那么还有什么办法呢？
科学家们把目光移到了核聚变上。
03 核聚变1967年6月17日，中国的第一颗氢弹爆炸成功。中国成为继美国、英国、苏联之后第四个拥有氢弹的国家。
氢弹爆炸后释放出的爆发式能量便是核聚变，它的原理是利用氢的同位素(氘、氚)的核聚变反应所释放的巨大能量来产生破坏性的杀伤力。而我们赖以生存的太阳，其内部也是靠核聚变的原理进行发光发热的。
那么相比于核裂变，核聚变具有什么好处呢？
- 核聚变的效率非常高。比如使用1克的铀235去进行裂变，产生的能量大概相当于1.8吨的汽油。若用1克的氢及同位素进行聚变的话，所产生的能量相当于1克铀235的4倍。
- 核聚变的原料非常丰富。水分子是由一个氧原子和两个氢原子构成，有了氢原子，就有了核聚变原料。地球上71%的面积为海洋，海洋无法作为淡水资源供人类使用，但可以在核聚变上发挥巨大作用，因此我们可以从海水中提取出很多核聚变原料。
水分子结构图
一升的海水，大概可以提取出33毫克的核聚变原料，1克的原料产生的能量相当于8吨油，那么33毫克原料就相当于近300斤汽油！这相当于将水变成了油。假设我们将整个大海里所有的原料提取出来都进行聚变，那么这个能量大致为世界石油储量的1000亿倍，可供人类使用几百亿年之多！成为代替化石能源的新选择。
- 核聚变属于清洁能源并且相对安全。核聚变所需条件非常严格，必须在高温、高压、高密度的环境下才可以进行。如果发生泄漏，那么便无法进行聚变，满足不了所需的“三高”条件。
其次就是核聚变的放射性弱。氚原子和氘原子的放射性半衰期为12年，经过12年后，它们俩的放射性减半，几十年后，放射性便可以完全消失。
04 制造核聚变核聚变装置的制造非常困难。在一般条件下，无法进行核聚变，就如前面所说，需要在高温、高压、高密度的环境下才可以进行。在太阳中心，超高温高压的环境使得氢聚变成氦，这种反应已经进行了46亿年。其中大约22亿分之一的能量到达了地球，生物的生存不能离开太阳，没有了太阳地球，便无法形成生态圈。
太阳的中心温度为1500万摄氏度，压强是2000亿个标准大气压。但地球上没有那么高的温度和压强，因此最好的办法就是通过核裂变产生巨大的能量。
太阳中心发生的核聚变反应
而原子弹所用的原理就是核裂变，因此氢弹需要由原子弹来引爆。通过原子弹爆炸，释放出的几万至几十万吨级TNT当量引爆氢弹，释放出几千万吨甚至几亿吨TNT当量。但这个办法危险系数太高，核聚变反应不可控。
氢弹爆炸时氘和氚的聚变过程
因此我们目前面临着两个问题，第一，如何把温度上升到上千万摄氏度；第二，用什么容器装载核聚变材料。
苏联的几位科学家曾提出托卡马克概念，托卡马克是由一个环形的真空室，外面缠绕着线圈组成的核聚变装置。一旦通电，便会在其内部形成一个磁场，将其中的核聚变材料加热至条件需要的温度，从而发生核聚变反应。我们所知的“东方超环”，便是从托卡马克中获得灵感而被制造出来。
托卡马克原理
在建造一座核聚变电站之前，中国科学家们的目标是，在超导条件下，维持核聚变反应的温度和时间。实验室产生的聚变反应，维持时间非常短，大概只有几秒钟的时间，这无法满足电站的要求，无法投入商用。
2017年7月5日，中科院等离子体研究所的科学家们一起见证了，最新的世界纪录。在5000万摄氏度的高温下，东方超环实现了稳态、长脉冲、高约束、长达101.2秒的等离子体运行；电子温度1亿摄氏度20秒等离子体运行等的国际重大突破。
东方超环实现了稳定的101.2秒
托卡马克装置每天要运行80-100次，因为其极高的难度和实验成本，核聚变研究，成为了大国之间的共同目标。中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国七国决定共享技术和资金，开展核聚变装置的研发计划。
预计在未来的2025年，由七个国家共同建造的世界第一座聚变反应堆将在法国诞生。
国际热核聚变实验堆
理想前景是在2070年前后，商业的核聚变反应堆开始大量投入使用，一旦成功，核聚变便可成为可再生能源的补充，电力的使用量将大大提升。世界能源危机便能得到缓解，温室效应等严重的环境问题也可以得到更好的改善。
我们对这项国际协作寄予厚望，但并非全部希望。既然是多国合作，难免会有一些国家想要一方独占。因此我们不能停下自主研究核聚变的脚步，2017年，中国在合肥启动了“中国聚变工程实验堆集成工程设计研究项目”，预计到2050年，聚变工程实验堆实验成功后，开始建设核聚变商业示范堆。
中国聚变工程实验堆集成工程设计研究项目启动会
中国的聚变研究，为未来的聚变能电站奠定了基础，攻克核聚变仍有漫长艰难的路程需要去征服，而我们的“人造太阳”，将会成为照耀人类的光。
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