建造人造太阳，追逐无尽能源，首先第一个问题便是什么是核聚变。

我们为什么又要花费巨大的心思，和巨额的资金来研究核聚变呢？我们知道万物都是由原子组成，原子的中心是一个带正电的原子核，它的周围分布着带负电的电子，所谓的核聚变反应，就是让高速运动的原子核互相碰撞彼此聚合。

核聚变

从而生成和原来完全不同的原子核，这种原子核发生变化的反应就是“核反应”，核反应通常要比普通的化学反应产生的能量高得多，那么核聚变是怎么产生能量的呢。

我们以未来的聚变反应堆所使用的原料为例，在未来聚变堆的核反应中，一个氘原子核与一个氚原子核碰撞，形成了一个氦原子核，同时释放出一个中子。

而反应后的质量比反应前的质量减少了0.4%，减少的质量就转变成了巨大的能量，这是由质能方程E=mc所得出的结论

那么核聚变的能量会有多大呢？它是石油的万倍，也就是说，1g核聚变发电的燃料，几乎能够产生8吨石油燃烧产生的能量，虽然我们天天在报道各种核聚变实验的最新进展。但实际上，我们平时一直都在享用核聚变反应所产生的能量。这就是太阳能

太阳是一个几乎全部由氢元素构成的气体大球，在它的中心位置，发生着持续不断地核聚变反应，使氢元素互相聚合起来，而正是核聚变反应产生的热量，才使得太阳发光发热。

所以实现核聚变发电就相当于在地球上建一个“人造太阳”，其实除了能量巨大之外，相比于核裂变，核聚变还有很多优势，这都使得人们从未停止追逐它的脚步。核裂变使用的是铀燃料，但铀元素资源是有限的，在未来很有可能面临枯竭的局面，但核聚变发电的燃料是氘和氚，也就是重氢和超重氢，这都是氢的同位素，在地球上的储量几乎是无限的。

而且这个储量和石油还不一样，它不受地域的限制，哪里有水哪里就能获得原料，核聚变的另一个优势说出来你可能不信，那就是它的安全性。

这怎么可能呢，氢弹那要比原子弹不知道高到哪里去了，但实际情况是，当核聚变反应装置发生异常时，不会像核裂变那样向过度反应方向进行，不会引发连锁反应，反应会被快速抑制。

从原理上看，是不可能形成失控之势的，另一方面，虽然在核聚变发电中也会产生放射性废物，但是绝不像核裂变发电那样，产生需要与人类隔绝几万年的高放射性废物。

那么要实现核聚变需要又该怎么做呢？又该满足哪些条件、获得哪些原料呢？

第一个原材料便是等离子体，上面我们说了，要产生核聚变，原子核之间就需要有相对高速的碰撞才能实现，但是原子核通常是被电子包围的，所以要想让原子核更容易互相碰撞，就要把电子从原子核上剥离，使得原子核处于周围没有电子的状态，也就是说原子核必须是裸露的，而使原子核裸露的方法之一，就是使物质处于高温状态。

从本质上讲，温度就是物质的原子或分子的运动剧烈程度的描述，也就是说物质的温度越高，其中的原子或分子的活动就越剧烈，物质温度越低，其中的原子或分子活动得就越缓慢，高温状态既会使得原子核的运动速度增加，也会使得电子脱离了原子核的束缚，比如说气体就是原子或分子在空中高速飞舞的状态，当气体的温度达到几千摄氏度时，原子或分子间的相互碰撞会更加激烈，碰撞的瞬间，电子会从原子或分子中剥离，这种电子和原子核分离并高速飞舞的状态就是“等离子态”。

等离子态

对应的物体就是“等离子体”，等离子体是和固体、液体、气体并列的物质的第四种状态，只有达到等离子态，原子核才能发生聚变反应。

在日常生活中，等离子体的例子很常见，比如火焰的一部分就是等离子体，荧光灯内部的水银蒸气，由于放电也变成了等离子体，由等离子体发出的紫外线，碰撞涂在灯管内壁上的荧光物质，这就是荧光灯的发光原理。

还有闪电和极光也是等离子体发出的光，当然了太阳也是由等离子体构成的，说得更远一些，由于宇宙中的可见物质大部分都是恒星，所以可见宇宙的99%以上的物质都处于等离子态。

在可见的宇宙中，等离子体才是常态，而固体、液体和气体其实是极少数的

我们就得出了要想获得核聚变反应的第二个条件，这就是高温，由于任何原子核都带正电，原子核相互靠近就会产生静电斥力，所以为了产生聚变反应，就必须给原子核以足够的速度来克服这个静电斥力，而又由于原子核的运动速度与等离子体的温度是等价的，所以要想产生聚变反应，就必须使等离子体处于高温状态，对于核聚变发电来说，它所需要的温度是1亿摄氏度以上。

当温度达到1亿摄氏度时，核聚变发电所需要的等离子体中的粒子速度，会达到每秒千米的高速，而常温空气中的分子速度仅为每秒米左右。所以我们可以看出来，核聚变并不是在特定的温度下才发生的，它并没有一个触发温度，只是温度越高，原子核就越是互相接近，也就越容易产生核聚变，其实即使在低于1亿摄氏度时，聚变反应也能发生，只是发生的概率比较低。比如说万℃时的发生概率只有1亿℃时的1/10，这下我们不禁就有疑问了，太阳的能量之源是聚变，它的中心发生着4个氢原子核。聚变成1个氦原子核的聚变反应

正是由于这个反应产生大量的热能，所以太阳才可以在几十亿年间，始终保持着高温、发光的状态。但是太阳的中心部分温度只有万℃，这和1亿℃相比，简直就是低温，那么太阳是怎么做到的呢。这是因为太阳由于自身的引力而发生了强烈的收缩，中心内部的密度非常高，一立方厘米达到了惊人的g。所以原子核互相碰撞的机会就非常大，这就是它在低温下也能够产生核聚变的原因。

所以在地球上，不论是目前正在研究的核聚变发电还是氢弹，人们都不使用最常见的一个质子一个电子的氢，也就是不使用氕，因为要想实现经济的聚变堆，不能只追求高温，还需要提高等离子体的密度，而使用氕，所需要的压力是难以想象的，在地球上是很难人工实现的。现在人类对于温度倒不存在太大的难度，在核聚变实验中记录的等离子体温度记录，已经远远超过了1亿℃，最高记录是5.2亿摄氏度，这个记录是日本的核聚变实验装置JT-60，在年创造的。

那么不使用最常见的氢，我们使用什么呢？

未来的聚变堆使用的燃料是氘和氚，也就是重氢和超重氢，这哥俩都是氢的同位素，也就是同种元素的不同原子量的原子，它们的化学性质和普通的氢元素完全一样，比如氘和氚都能够组成水分子。原子核通常由多个带有正电的质子和不带电的中子构成，但是最简单的原子核，氕原子核仅由一个质子构成，而氘的原子核由一个质子和一个中子构成。

氕、氘、氚

氚的原子核则由一个质子和两个中子构成，在这里需要注意的是，氚是会发出β射线的放射性物质，半衰期为12.3年，所以必须严格管理。防止其泄漏到周边环境中去，那么为什么必须使用氘和氚，使用碳不行么，原理上可行。

碳聚变

但实际应用中不可行，这是因为聚变堆使用氘和氚，这样的组合是最容易产生聚变反应的，如果用其他原子核进行聚变的话，等离子体的温度就必须提高很多，这在技术上是个难题。

另外像氢这样比较轻的元素，也要比碳那样比较重的元素，更容易发生核聚变反应，这是因为全部元素中，静电斥力最小的，就是原子核内只有1个质子的氕、氘、氚，而碳的原子核内有6个质子，由于静电斥力与各个原子核所带电量成正比，所以碳原子核之间存在的静电斥力，是氢原子核之间的36倍，这就使得核聚变反应非常困难。

在宇宙中，碳原子核之间发生的聚变反应，也只有在年老的恒星，上才会发生，而在静电斥力最小的氕、氘和氚的组合中，既比较容易产生核聚变反应，又容易获得的是氘、氚的组合，而氕的聚变反应，人类很难达到太阳中心部分那样的高压，所以人类目前的研究方向，就是把它们用作燃料。

总之一句话，氕的聚变反应需要的高压我们达不到，碳那样的高温也很难，所以氘和氚自然就被钦定了，说到氘和氚容易获得，那么它们是从哪来的呢，貌似我们生活中没有见过它们，其实氘也是天然存在的，存量占氢元素总量的0.%，人们用物理方法或化学方法可以把重水从水中分离出来，之后再电解重水，就可以得到氘。

由于氘可以从水中获得，所以说它的储量是近乎无限的，另一种燃料氚虽然在自然界中的储量极少，用从水中分离的方法满足不了需求，但是用锂就可以在聚变堆内人工生成，原理也很简单，氘和氚在发生核聚变反应后，除了产生少量的氦原子核，还会产生副产品中子，中子会从等离子体内部飞出，高速飞出的中子其实就是一种射线，能够轻易穿透物质，但如果在聚变堆的内壁贴上含有锂的陶瓷，高速飞来的中子就会在这里产生另外一个核反应，就会产生氚。

通过储氢材料来回收这里产生的氚，就可以用作核聚变发电的燃料了，当然了这只是简单的描述，实际的应用要复杂一点，由于一个氘与氚发生聚变只能产生一个中子，这个中子又要产生下一个氚，所以就要求尽可能地一个中子都不浪费，但这在实际中是做不到的，所以为了使燃料氚能够持续产生，核聚变堆的内壁上还要增加一个“中子倍增层”，利用核聚变产生的中子去引发其他的核反应，使中子成倍增加，原理是用中子轰击铍原子核，这样会产生两个氦原子核。

外加两个中子，好消息是锂和铍在地球上并不罕见，目前来说人们主要从盐湖中提取锂，不过由于电子产品的需求量不断增长，未来锂的供应可能也满足不了需求，解决办法之一是从海水中提取锂。在海水中，每一立方米中含有0.2g的锂，所以未来如果可以轻松地从海水中提取锂，那么储量也是近乎无限的，而这一点十分可行并且经济的很，因为不论是火力发电、核电，还是未来的聚变堆，都要使用大量的海水作为冷却水，人们完全可以在这个循环中，将分离锂的技术结合起来，如果在未来人们实现了核聚变发电。

那么一块电脑电池中所含的6g锂，再加上1.7g的氘，就可以产生1户人家使用30年的能量，那么具体到实际应用中，聚变堆是怎样实现发电的呢？其实也很简单，燃料氘和氚原子核发生核聚变反应，产生了氦原子核和一个中子，由于磁场的作用，氦原子核会留在等离子体中，而中子会以高速从等离子体中飞出，和容器内壁上的包层碰撞，使包层中产生热量温度升高，所以说高温等离子体加热了反应堆的内壁是不准确的，应该是中子加热了内壁，包层的内部有冷却水管，冷却水就这样被加热，为了使它们不沸腾，可以使用加压的方式，用这些冷却水加热另外系统中的水，产生高温蒸汽，冲击汽轮机发电。所以核聚变的发电原理，和火力发电、核能发电是一样的。

接下来我们就要造一个核聚变发电站了，其实从上面说的不难看出，核聚变的原理十分简单，原料也极易获得，好

你是需要1亿℃，但这也不是什么难事儿。而且氢弹早在年就被苏联人搞出来了，为什么核聚变发个电就这么难呢？这是因为，地球上不存在能够盛放1亿℃以上的等离子体的容器，我再把这句话重复一遍，因为地球上不存在能够盛放1亿℃以上的等离子体的容器，这句话十分重要，但我们绝大部分人都把这句话的真实内涵搞错了。

我们一般认为，温度这么高，任何容器都要化掉了，甚至是在瞬间樯橹灰飞烟灭。1亿℃的温度冒出来，岂不就严重悲剧了么，其实不会出现这样的情况。

虽然聚变堆中的温度达到了1亿℃以上，但其中的等离子体密度，一般情况下只有大气的10万分之一，所以即便是有什么原因，使得这些等离子体的热量瞬间转移到了反应堆的内壁上，也只会使内壁表面熔化损伤，而绝不可能使整个容器灰飞烟灭，所以严格地说，温度高与热并不一定就是等价的，你可能觉得这难以理解。

我举个例子大家就会明白了，桑拿房谁都去过，桑拿房的温度高达七八十度，甚至高达℃，这样的环境我们都能忍受，但是给你扔50℃中水中你试试，大部分人是受不了的。这是因为桑拿是高温蒸汽，虽然水分的运动速度高，每个分子撞击皮肤的冲击力也很大，但是分子的密度比水底，碰撞皮肤的分子个数少，结果就是整体进入皮肤的热量相对少，这就是人可以忍受桑拿高温的主要原因。

但是在水中就不同了，在50℃的水中，虽然水分子的运动速度比较慢，每个分子的撞击力也比较小，但是液体分子的密度很高，碰撞皮肤的分子数量非常大，结果就是整体进入皮肤的热量相对多，所以说1亿℃的等离子体，并不是能够熔化任何物体的惊人的热源，只要它的密度低，就不会那么恐怖，但是既然密度低就没有事儿。

为什么我们还说地球上不存在，能够盛放1亿℃以上的等离子体的容器呢，这是因为如果等离子体和聚变堆的内壁接触，等离子体就会立马被冷却，冷却了还聚变个毛，当然了容器肯定也会受伤，所以用容器盛装的最大难点在于，不是怎样保住容器，而是怎样保住温度。防止等离子体破灭，第二大的难点才是保护容器的完整，地球上不存在能够盛放1亿℃以上的等离子体的容器，这句话的重点是1亿℃而不是容器，那么我们该怎么解决这个问题呢？

答案是让等离子体飘起来，漂浮在容器中就可以了，所以在核聚变反应发电中，要实现把容器抽成真空，然后放入燃料气体，再加热变为等离子体，再想办法不让这些高温的等离子体碰到容器壁，能够使这种看似不可能的想法变成可能的。就是磁场，是磁场让等离子体悬浮了起来，这种聚变堆就称作“磁约束”式，我们知道磁场并不是实物，它不能直接被人眼看见，但它是确实存在的，由于在等离子体中的电子和原子核，具有围绕磁场线螺旋飞行的属性，所以只要创造一个圆形闭合的磁场。

从原理上说，电子和原子核就会沿着圆形的磁场线边旋转边向前运行，于是人们就产生了这样的想法，把一个个的圆形的电磁体线圈依次环绕起来，就好像把它们挨个绑在一个看不见的大号的面包圈上。

这样通电后就可以形成一个圆形的磁场，磁场线穿梭其中，但是这样的线圈配置是存在问题的，由于这样形状的线圈配置，就导致了容器内侧的线圈间隔小，而外侧的线圈间隔大，所以内侧的磁场线就要比外侧的磁场线密集。

也就是说，越靠近内侧磁场就越强，由于存在磁场线的疏密不同，电子和原子核就获得了一个把它们推出面包圈的力，这样一来的结果就是，等离子体会从磁场中泄漏到器壁上，这就是所谓的“逃逸”。

也就是说，用这种方法还不能够维持等离子体漂浮在磁场中，于是在上世纪50年代，研究者们就开始考虑怎样能制造一个磁场线扭曲的笼子，也就是用什么方法，把面包圈形状的磁场线扭曲。这样一来，闭合的磁场线在某个地方通过面包圈的外侧，而在其他地方又通过了其内侧，而围绕并沿，磁场线飞行的电子、原子核，也就有时在面包圈的内侧，有时又在外侧，磁场线的疏密带来的侧向作用力也就不复存在了。

也就不会把它们推出面包圈，结果就是，电子和原子核在面包圈内边旋转边沿着磁场线运动，这样等离子体就被约束在磁场中了，那么如何使得磁场线扭曲呢？

怎样造出这样一个扭曲的笼子呢，这就是目前核聚变研究的主流——托卡马克，托卡马克是在年前后由苏联发明的，那么托卡马克是怎么个套路呢，我们都知道，把导线缠绕在铁芯上，通电就会变成电磁体，只有一根的单匝环状的通电线圈产生的磁场也与此相同，同样的使面包圈形状的等离子体形成电流，也能形成单匝环装的通电线圈所产生的磁场效果，把这样的面包圈与我们之前说过的，有缺陷的、电磁体环绕的线圈结合起来，磁场线就呈螺旋状扭曲了。

真正的磁笼也就形成了，等离子体就可以以悬浮的状态被保持在容器中了，那么问题来了，怎样使等离子体形成电流呢

原理上讲很简单，那就是用导线连接悬浮在容器中的，几亿摄氏度的等离子体，接上电源就可以形成电流。可惜这个方法没法使用，因为我们不知道什么导线可以承受几亿度的高温，托卡马克使用的是电磁感应技术，在初中的时候想必我们都做过这样的实验，当把磁铁插入没有连接电源的线圈内时

线圈中就会感应出电流来，在托卡马克装置中，在面包圈容器当中的孔里放上电磁体，专业点叫法称作中心螺管。

托卡马克结构

给这个磁体通电，，电流逐渐增大时，就和把磁铁插入线圈的效果是一样一样一样的。

这样一来，面包圈容器中的等离子体中就会感应出电流，当然了这种方法也面临着巨大的挑战，那就是仅仅使用中心螺管，还不能够在等离子体中，产生长时间持续的单向电流，因为要用电磁感应在等离子体中产生这样持续的电流，就必须给这块磁体通电，而且电流要一直增大直到无限，这显然是不可能的。所以这也是核聚变面临的巨大难题之一，虽然很难，但至少我们知道了磁约束的实现途径，而要想实现核聚变发电，另一个需要满足的条件，就是把燃料加热到1亿℃的，之前我们聊了这么长时间，仿佛这个1亿℃是轻轻松松理所当然的，我们的

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