科学认识君的《通俗物理100课》系列
【第一课：可控核聚变知多少？】
这几天，我国在合肥的“人造太阳”装置EAST又传来重大消息，设备首次实现了等离子体中心的一亿度运行。而就在去年，EAST实现了电子温度超过5000万度、持续时间达101.2秒的超高温长脉冲等离子体放电。
中国在可控核聚变的道路上不断传出利大消息。但是可控核聚变还仅仅是美好的预期。从世界首颗原子弹爆炸到核裂变电站不到10年就完成了。可为什么从氢弹到可控核聚变过去了大半个世纪还遥遥无期？
我国的人造太阳
可控核聚变也被一些人誉为“上帝模式”，这是人类已知唯一能一次性彻底解决能量危机的方式，也是人类星际旅行的理想动力。
早在1905年，爱因斯坦的狭义相对论中就提出来了质能方程，也是妇孺皆知的E=MC2，从这个公式中我们可以得知：即便质量很小的物体也可以释放巨大的能量。
可具体该怎么操作才能释放这些能量呢？
量子力学的发展告诉我们，质能方程的可行性操作就在微观世界，原子核裂变和聚变可以释放巨大的能量，这正是质能方程的应用。
核裂变的材料须是易裂变重元素，整个元素周期表中也就剩下铀，钍，钚了。但这些元素在地球上含量极少，而且释放的核能相较于核聚变更少，且会造成放射性污染源。所以核裂变并不是人类未来的理想能源。
但核聚变就完全不同，基本全是优点，唯一的缺点就是难控制。首先核聚变的材料元素是轻核子，比如氢的同位素氘(D)和氚(T)，这些元素完全可以靠电离水制备。以目前看来，电离出一克的重水需要7块人民币。与此同时，1克重水用来聚变产生的能量相当于800万度电。按0.5元/度的单价计算，这些电量估值400万人民币，这完全是暴利。
现在说正事儿
核聚变无非就是把两个轻原子核融合在一起形成新的原子核，并释放中子和大量能量的过程。
核聚变示意图
原子包含带正电的原子核和带负电的核外电子。两个轻核原子进行核聚变前，一般要把核外电子剥离掉，就剩下两个带正电的原子核了。我们都知道电荷是同性相斥，这是库仑力导致的。两个无缘无故的带正电原子核即便靠近也会因为库仑力被推开，要想核聚变就得使这两个原子核不仅靠近，还得糅合在一起，使其质子和中子们形成新的强相互作用而合成新原子。
怎么让原子核们能聚合在一起呢？
答案就是高温，我们知道温度的本质是：微观粒子运动的剧烈程度。微观粒子运动地越剧烈其温度越高。引爆氢弹需要极高的温度，所以氢弹里面都有一枚小型原子弹作为点火装置。但氢弹释放的能量并不可控。
人类要想利用核聚变就必须控制聚变过程。人为控制核聚变第一个要求就是达到“点燃”核聚变的温度。
比如我可以把轻核原子们放在一个球形靶丸中，用强激光从不同的方向照射靶丸，照射产生的高温导致原子的运动变得异常剧烈，核外电子开始脱离原子，形成了原子核与电子交织的等离子体，剧烈的运动也给原子核们提供了足够的动力来相互撞击以突破它们之间的电荷排斥力(库仑力)以融合在一起。
球形靶丸
这种就是实现可控核聚变的两大方式之一，我们叫惯性约束核聚变，比如我国的神光三号激光点火装置。但是惯性约束很难控制等离子体对设备造成的高温破坏。可控核聚变点火温度起码得数千万度，没有什么材料能抗得住这样的高温。所以科学家更青睐可较好地束缚等离子体的磁约束装置。
神光三号
磁约束就是利用磁场束缚住发生核聚变的等离子体，使其与装置内壁形成隔离带，避免仪器遭到高温的“洗礼”。
磁约束核聚变反应前，首先需要先把大量轻核原子们(比如氘氚)加热使其核外电子脱离，这样就形成了带正电的原子核群和电子群。它们整体保持电中性，这就是等离子体。我们也可以称之为等离子浆。
等离子浆进入磁场中会被束缚起来，再共振和加速起来，使等离子浆中的原子核运动愈发剧烈，并相互撞击融合，完成聚变过程。
这种因等离子体内部剧烈运动的原子核们相互部撞击而产生的核聚变就类似于太阳内部的核聚变，所以科学家们也管磁约束核聚变装置叫“人造太阳”。
人造太阳装置一般是真空环形的磁线圈，英文为此发明了新的词汇Tokamak来描述它 ，音译成中文就叫托卡马克。所以磁性约束核聚变装置也称托卡马克。
中国的EAST全称就是：全超导托卡马克核聚变实验装置。
如果我们要商业化核聚变，仅仅做到点燃核聚变和控制等离子体还远远不够。我们要的是转化率。
如果要用托卡马克实现可控核聚变必须有三个前提。
一：首先要实现更高的“点火”温度，装置内温度越高，其原子核们运动越剧烈，撞击的力度就越大，其装置内的原子核们发生核聚变的比例就越高。
二：单位时间内可发生核聚变的原子核数量要多，也就是等离子体的电流要大。
三：装置开机的时间要长。不能刚开机几秒装置就坏了，那就不能产生多少聚变能量了。
举个通俗的例子，如果狗崽的数量代表核聚变产生的能量。倘若把一群狗放到一个小岛上，怎么做才会在较短的时间内生出大量的狗崽呢？
第一：给动物们打催情针。相当于提高托卡马克的内部温度
第二：小岛上单位时间内交配的动物数量要多。相当于增大等离子体的电流。
第三：要留给动物们足够长的时间来交配。相当于磁约束装置开机时间要长。
事实上，人类已经粗略地实现了可控核聚变，但是由于以上三点做的都不到位，我们现在的可控核聚变远远还不划算。投入100万的资金产出的聚变能量或许只相当十度电，这买卖肯定是巨亏。只有提高效率，核聚变产出的能量才有可能超过投入的电力能量。
正如中科院合肥物质科学研究院副院长李建刚院士说的那样：我国EAST的科学目标就是三个一，“一兆安(等离子体电流)、1000秒(维持时间)、一亿度(温度)”。
去年我们实现了电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。
时间上还差了10倍，但是这“三个一”中我们今天实现了其中一个，那就是一亿度。
还有一兆安的等离子电流和1000秒的时间尚待我们努力。
实现“三个一”起码可以保证可控核聚变有商业化的前提了，起码是摸到了可控核聚变的门了，但打开核聚变的大门还为时尚早。
其中一个很大工程学难题一直羁绊着我们，那就是中子辐射。我们知道磁场可以控制电荷的运动，不管是带正电的原子核还是带负电的电子在磁场的约束下都会变得规规矩矩。但是核聚变会释放中子，以氘氚融合产生氦原子和一个中子为例，这些中子不带电，不受磁场约束。
氘氚聚变反应示意图
高能的中子会乱撞击托卡马克装置的内壁，仪器完全经受不住持续的高能撞击，所以这也是托卡马克开机时间不能太久的原因之一。
幸运地是，这些困难都是工程学上的，理论完全支持可控核聚变。科学家基本认为中国会在2070年基本实现可控核聚变的并网发电。也就意味着看到这篇文章的小伙伴有希望在有生之年看到可控核聚变的实现。
畅想人类拥有可控核聚变的未来
预计到22世纪，人类可熟练掌握核聚变并提高能量产出效率。届时人类将通过可控核聚变这一途径提前进入共产主义。
海水资源可以给人类提供数亿年的核聚变燃料。对于人类来说，几乎0成本的无限电力可以做更多的事。比如人工植物，在室内创造光合作用，每时每刻都在创造粮食。用电力无限淡化海水供人类使用，电解水产生氢氧燃料供汽车使用。在陆地建设大型抽水基站，这些基站连接起来把海水抽向沙漠，人造绿洲得以实现，塔里木盆地将是宜居的生态环境……。
届时搭配着高度发达的人工智能来办事，机器人几乎可以替代人类去干所有的苦活累活。人类的物质生产极其发达，人类不再桎梏于物质追求，人们彻底解放了自己的双手，有更多的时间享受精神世界。可控核聚变的发展让人类远距离太空旅行变得有恃无恐。我们不再局限于地球，可以在火星上搭建可控核聚变电站，用机器人完成对火星的改造。
可控核聚变是目前为止，人类发现唯一可以快速进入共产主义的自然漏洞。
