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去年冬天，合肥安徽合肥科学岛的“东方超环”核聚变发电实验室灯火通明，科学家们正在没日没夜，每天进行100多次的点火实验。
他们希望在2025年来临以前，给国家献上一份新年大礼——在高约束模下完成核聚变的千秒级运行。在此之前，世界上没有任何一个国家做到。
可似乎天公不作美，他们有好几次实验，都在系统运行临近1000秒时失败了，直到2024年的最后一天，始终都与他们定下的目标失之毫厘。
但大多数研究员却并没有惋惜的表情，而是每次实验一停止，马上就收集数据进行分析和处理。
最终功夫不负有心人，在2025年1月20日下午5时20分，实验计时器上不断跳动的数字从个位、十位、百位……最终，计时器定格在1066.76秒。
原本淡定的科学家们这一次沸腾了，有人举臂欢呼，有人拥抱落泪。
他们，成功书写了人类探索可控核聚变的里程碑——在1亿摄氏度超高温工作状态下，系统坚持运行了超过1000秒，打破了可控核聚变运行状态的世界纪录。
“亿度千秒”的完成，预示着我们向解决能源危机的“终极答案”可控核聚变，又迈进了一大步。
就在不久之前，中核集团聚变领域的首席科学家段旭如，在接受媒体采访时明确说明了可控核聚变落地的时间线——
“2050年前后，我国有望实现可控核聚变的商业化发电”。
也就意味着，我们有望在有生之年，一起见证人类彻底解决能源危机时代的来临。
那么，可控核聚变到底牛在哪？还需要克服哪些技术难题？
今天，社长就借着这个话题，跟大家用尽量通俗易懂的方式好好聊一聊。
01. 为何核聚变是终极能源方案？
众所周知，一颗核裂变原子弹的威力，足以顷刻间毁灭一座城市。
但如果不拿核裂变当炸药用，让它在可控范围内安静、平稳的运行，就能给整个城市提供充足、稳定的电力，于是就有了现在的核电站。
不过，核裂变发电目前还是存在不少弊端的。
首先就是核废料带来的放射性污染问题，一旦出现核事故，对环境的影响十分巨大，俄罗斯的切尔诺贝利核电站、日本的福岛核电站，都是血淋淋的案例。
其中的“罪魁祸首”，就是核燃料铀-235衰变后产物，具有极强的放射性，强辐射会对周围的人和动物产生极大的安全隐患。
核裂变废料的成分十分复杂，包括铀、钍、镎、镅、锔等等……需要数万年才能衰变至安全水平。
所以大部分核电站出于安全考虑，都会选择将核废料塞入特制的防辐射密封罐中，要么深埋地底要么投入海底，再加上核废水处理等等，会导致核废料处理成本极高。
另外，可用于做核燃料的可裂变铀矿也特别有限，目前全球范围内已探明的可采集资源仅为600万吨，和石油天然气一样，长期开采也会面临资源枯竭的一天。
相比之下，核聚变发电就有比较明显的优势了。
首先，地球上的核聚变燃料，远比核裂变燃料丰富。
核聚变燃料采用的是氢的同位素氘和氚。
氘正常情况下海水里就有，每升海水中大约还有0.03克的氘。由此换算，理论上地球上
尽管氚在自然界储量非常稀少，自然界仅有3.5公斤左右，但可以用中子轰击锂原子等方式进行制备。
而核废料方面，核聚变产生的污染也远比核裂变要小。
就拿氘-氚核聚变反应为例，氘原子和氚原子在高温高压下相互碰撞，结合为一个氦并释放出一颗自由中子，并释放出大量能量。
氦是一种“人畜无害”的惰性气体，空气里本身就存在，不具有放射性，庙会里卖的氢气球充的就是氦气。
释放出的中子，虽然一定程度上会导致核聚变容器遭到轰击而带有一定辐射，但十几年就能失去放射性，与裂变废料影响的数万年相比，简直不要太短。
当然，核聚变之所以被科学家们寄予厚望，除了原料足、污染小以外，更重要的是反应能量大。
理论上，同等质量条件下，氘-氚聚变释放的能量，是铀裂变释放能量的4倍之多！
粗略估算，地球上的核聚变燃料，足够人类使用数百万年的时间，一旦实现可控核聚变，意味着人类进行跨太阳系探索将成为可能。
这也是为什么，可控核聚变会成为公认的“终极能源方案”。
尽管核聚变的优点数不胜数，但唯一一个缺点却是致命的——
核聚变的能量太过巨大，导致截至目前人类都无法做到像控制核裂变一样，控制住核聚变。
为地球提供阳光的太阳，本质上就是一个巨大的核聚变火球。太阳核心的温度高达1500万℃，而表面温度也高达5500℃，这使得任何与太阳贴得过近的物体，即便是地球上最耐高温、熔点在3000℃的钨也扛不住。
而核聚变反应堆，本质上就是个“人造太阳”。想要控制核聚变，就像把一头凶猛无比的野兽，变成人畜无害的宠物一样。
一代又一代科学家们费尽千辛万苦，就是为了探寻一种可以扛得住核聚变的“容器”，让其稳定运行为己所用的方法。
02. 如何锁住“人造太阳”？
从微观层面上来看，氘和氚发生的核聚变反应，就是氘和氚原子高速碰撞带来的结果。
粒子碰撞需要足够的动能，而粒子动能则和温度直接相关，必须加热到1亿摄氏度左右，氘原子和氚原子才会发生碰撞。
氢弹作为人类目前唯一可以实现的核聚变产物，其引爆所需要的高温，就是靠内部的一颗小型核裂变弹作为引线的。
文章开头提到的，中国“东方超环”创下世界纪录的运行温度，已经达到了1亿℃，远超太阳核心温度6倍还多。
那么，“东方超环”到底是通过什么方式控制住这超高温的呢？
这就不得不提一下东方超环的核聚变约束装置了——“托卡马克”。
托卡马克装置是上个世纪50年代，由苏联“氢弹之父”萨哈洛夫发明的。
在俄语中，托卡马克（TOKAMAK）是由“环形”（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）几个词组合而成。
顾名思义，既然世界上不存在任何材料，能扛得住核聚变等离子体这么高的温度，那干脆就不要让任何材料直接接触等离子体不就行了。
托卡马克装置的核心原理，就是靠磁场这个“无形的锁”，对核聚变等离子体进行约束控制。
从结构上来看，托卡马克装置的“锅炉”，长得有点像轮胎，它其实是一个环形的封闭磁场。
当环形磁场强度增加时，氘原子和氚原子就会受洛伦兹力的影响，在“轮胎”里持续转圈圈。
就像行星绕着恒星转一样，在磁场的束缚下，氘原子和氚原子会按照既定轨道运行，不会脱离磁场的约束。
随着环形磁场强度越来越高，氘原子和氚原子转的越来越快，温度越来越高。
当反应堆温度达到既定温度时，氘原子和氚原子就会发生碰撞，核聚变反应一触即发。
核聚变产生的热能，会用类似火电站或核电站“烧开水”的发电方式，将水或其他导热介质烧成蒸汽，推动汽轮机做功进行发电，然后再通过冷却装置将蒸汽冷却成液态，重新投入循环使用。
托卡马克装置的优点在于，不需要通过核裂变的高温触发核聚变，同时也不需要维持高气压运转，其内部气压甚至比外部空气还要低，想要关闭反应堆只需要切断磁场即可。
即使反应堆出现故障，也不至于酿成大祸，安全性相对较好。
尽管说起来简单，但实际上困难远比想象中要多，就算核聚变等离子体不直接接触容器，仍然需要承受火箭突破地球大气层般的热负荷，运行时间长了之后，同样会烧毁容器。
同时，容器在遭到高能中子轰击之后，不仅仅会让容器带有放射性，还会使得容器出现变脆、起泡等等问题。想要找到既耐高温，又耐辐射的材料，可谓难上加难。
还有就是，装置需要的低温和高温超导材料，在大尺寸情况下，如何保证磁场的均匀性是个难题。
除此之外，里面涉及真空、射频、低温处理、电磁控制等等关键技术，每个细到不能再细的环节，都是影响聚变反应堆运行必不可少的关键。
目前全球的托卡马克式核聚变反应堆，尚未实现能量正输出。即点火所消耗的能量，是高于核反应堆产生的能量的，属于“赔本买卖”。
另一边，以美国为主导的另一种核聚变发电路线，激光核聚变反应堆，已经成功实现了能量正产出。
2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家核聚变点火设施，向聚变燃料输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的能量输出，输出比输入多50%以上，这是人类首次在可控核聚变实验中实现能量正增益。
与托卡马克装置的磁力点火不同，激光核聚变反应堆，是将聚变燃料施加高压力，再配合数百道高能激光束汇聚一点进行点火。
反应堆中需要的聚变燃料很少，能量总和比一些裂变核弹还小，甚至还比不上一些大当量的TNT炸药。
尽管已经实现了能量正增益，但维持时间非常短，最近一次公布的持续时间也不过1秒，想要实现长时间运转发电，还有相当长的距离。
此外，虽然这种方案对于约束材料的要求更低，但却需要极其强大的激光器，每十亿分之3秒就要发射一束激光，每束激光能量高达180万焦耳，才有可能将聚变燃料加热到1亿度。
如此强大的激光器，全世界没有几个国家能造出来，况且长时间工作，激光器同样也会面临烧毁的风险。
纵观全球，目前大部分国家探索的可控核聚变路线，都是托卡马克装置，而中国在这一领域目前处于领跑的第一梯队，而美国则坚持选择了激光核聚变路线，属于少数派。
无论哪种技术路线，大家都在争取成为第一个吃到可控核聚变“螃蟹”的人。
03. 写在最后
从2006年东方超环第一次获得核聚变等离子体，2012年首次在2000万℃下运行411秒，再到2021年运行温度首次突破1亿度，再到如今的“亿度千秒”……
这一次又一次里程碑式的跨越，是中国四代核聚变科研工作者，而是多个科研小组共同书写的篇章。
中国在原子能领域起步较晚，彼时还在依赖苏联提供的技术支持与参考，而后来两弹一星的实现，成为了中国核技术追上西方大国的标志。
而如今的可控核聚变，我们不仅在数据上实现了领跑。更关键的是，包括大型超导、电源、真空、加热、射频等关键技术，全部都是由国人自主研发的，这何尝不是一件值得骄傲的事？
太阳日复一日，东升西落，赋予地球光明与生命。
或许“人造太阳”的升起之日，已经近在咫尺了！
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