每日科普|为什么核聚变被称为“人造太阳”？

1994年11月05日，美国核聚变发电功率首次突破千万瓦。那么，为什么核聚变反应堆被称为“人造太阳”呢？

太阳发光的能源之谜，让人类探究了上千年，直到20世纪英国物理学家卢瑟福发现了核聚变反应，才促成了太阳的能量来源于氢核聚变生成氦核的假说，太阳发光由此得到了合理解释。氢核聚变的发现也使人类产生了新的梦想，在地球上做出“人造太阳”。

太阳的能量正是来自核聚变。太阳质量是地球的33万倍，强大的引力使核心处密度高达150克/立方厘米，温度接近1360万开。在这样的条件下，氢核之间频繁地进行碰撞，每秒要燃烧6.2亿吨氢。不过这样强大的引力束缚条件在地球上是无法实现的，要大规模地进行人工核聚变必须寻找另外的途径。

氢弹是以原子弹作为“触发引擎”，利用原子弹促进爆炸时产生的高温，使氘发生核聚变反应。第一枚氢弹的研究工作由美籍匈牙利裔的科学家爱德华·泰勒领导，以液态氘作为核聚变原料。而苏联首先实现了可用于作战的氢弹，其方案是采用锂-6和氘的化合物氘化锂作核燃料。只是这些武器对民用没有什么帮助。

那么，怎么和平地实现像太阳一样的核聚变用于发电呢？我们要把非常少量的氘和氚气体，加热到非常高的温度，并且让它们在一个小范围内充分碰撞。现在实验中可以把氘、氚气体加热到太阳温度的10倍，在这样的高温下，原子中的电子会被剥离开，变成等离子体。关键在于怎么把等离子体束缚在空间之中，让它们不跟墙壁接触。因为等离子体喜欢沿着磁力线跑，物理学家的办法之一就是使用一个面包圈形状的“笼子”，让等离子体环绕中间的磁场运动。这样的装置叫做“托卡马克”。

但等离子体并不总是老实地绕着磁场旋转，它们会产生各种复杂的不稳定性。多年以来，物理学家已经解决了很多不稳定性，可是就好像物理学在故意捉弄我们一样，新的不稳定性又不断地被发现。

不过，大自然有时候也会给物理学家一点惊喜。1982年，德国科学家发现如果把对等离子的加热功率从160万瓦提高到190万瓦，整个约束会突然变好。物理学家至今也没完全搞清楚这是怎么回事，只好把它笼统地称为“高约束模式”。现在包括中国合肥的“先进超导托卡马克实验装置”在内，我们已经能够比较自如地在实验中实现高约束模式。

目前有中国参与的“国际聚变实验反应堆”项目正在进行之中，这将是史上最贵的科学实验。按照计划，这个装置将在2026年前实现对等离子体的稳定控制和10倍于输入能量的聚变能量输出。如果一切顺利，那么第一个商业示范反应堆将在2050年前建成。届时，“人造太阳”就可以永驻地球造福人类了。