一、【什么是核聚变？】

    原子核中储藏着巨大的能量，原子核发生变化的“核反应”，通常要比普通化学反应产生的能量高得多。核反应分为两种，一种是核裂变，一种就是核聚变。顾名思义，核裂变是重核裂变成轻核的一种核反应，而核聚变，则是轻核聚合成重核的一种核反应。两者在反应过程中都会放出巨大能量。

二、【核聚变的巨大威力】

    核聚变最大的特征就是产生巨大的能量。在利用核聚变反应发电时，1g核聚变发电的燃料，能够产生8吨石油燃烧产生的能量。也就是说，在等质量的前提下，核聚变产生的能量是石油的800万倍。

图1：燃烧的太阳

    我们所熟知的太阳，其实是一个巨大的气体球，它之所以能放出巨大的能量，就是依靠核聚变反应，所以说太阳是一个巨大的核聚变的熔炉。太阳辐射的总功率为3.86×1023W，每秒钟太阳喷发到地球上的能量，相当于500万吨标准煤燃烧释放能量。而根据中国科学院欧阳自远院士的介绍，太阳喷发到地球上的能量，其实只相当于太阳喷发总能量的16亿分之一。但就是这16亿分之一的能量，造就了地球上的电闪雷鸣，万物生长。

三、【核聚变的科学原理】

   故事的一切，还要从爱因斯坦的质能公式说起：E=mc2（能量等于质量乘以光速的平方），这个公式告诉我们，质量和能量是可以相互转化的。在核反应的前后，反应物的质量略微减少，而且少了那一部分质量转化成了释放出的能量。

图2：核聚变中的原子核变化

   例如，有核反应为：氘+氚？氦+中子，这个和反应反应后的质量比反应前减少了0.4%，而且少的那部分质量就变成了巨大的能量。

四、【认识等离子体】

    固体，液体，气体是我们常见的三种物质的形态，而等离子体是与它们三者并列的第四种物质的形态。气体就是原子或分子在空中高速飞舞的状态。气体的温度达到7000摄氏度时，原子分子相互碰撞更加激烈，碰撞的瞬间，电子会从原子或分子中剥离。这样，电子和原子核分离并高速飞舞的状态，称为等离子态，对应的物体称为等离子体。事实上，只有达到等离子态，原子核才能发生聚变反应。等离子体的例子，在我们周围的很多地方都能看到。火焰的一部分就是等离子体，荧光灯内部的水蒸气，由于放电也会变成等离子体。

    太阳也是由等离子体构成的（几乎都是氢元素的等离子体）。说得更远一些，宇宙上99%以上的物质处于等离子态，在宇宙中，等离子态是常态，而固体，液体和气体却是极少数。

五、【利用等离子体进行核聚变发电】

     我们对等离子体有了一个初步的了解，那么它是如何进行核聚变发电的呢？

     任何原子核都带正电，所以原子核相互靠近就会产生静电斥力。为了原子核能够融合，产生聚变反应，必须给原子核以足够大的速度来克服这个静电斥力。原子核的运动速度和等离子体的温度是等价的，因此，为了产生聚变反应必须使等离子体处于高温状态。核聚变发电需要一亿度以上的高温。

    温度达到一亿度时，核聚变发电需要的等离子体中的粒子的速度达到了每秒1000千米之巨。要知道常温空气中的分子速度只有每秒300米左右。当然核聚变并不是在特定温度下才能发生，只是温度越高，原子核越是相互靠近，越容易发生核聚变，即使在低于一亿摄氏度时核聚变也能发生，只是发生的概率比较低而已。不过话说回来，聚变反应是各种原子核之间的反应，未来的聚变堆中使用氘和氚作为燃料的理由是这样的组合最容易产生聚变反应。用其它的原子核进行核聚变的话，等离子的温度必须还要提高很多，这个在技术上是个难题。比如碳原子核之间的聚变，一亿度下也不会发生。

    而我们的太阳，中心部分的温度约为1500万摄氏度和一亿摄氏度相比可以算是低温。但是它依然能够进行核聚变，是因为太阳由于自身引力而发生强烈的收缩，中心部分的密度非常大，所以原子核相互碰撞的机会就多，这是它在较低温度下也能够进行核聚变的原因。

想象一下，利用只有地面大气密度10万分之一的极其稀薄的等离子体进行核聚变发电。在如此稀薄等离子体中原子核相互碰撞的机会极少，所以把等离子的温度提高到极端是完全有必要的。

    你可能会问，真的存在某种容器能够盛放一亿度以上的等离子体吗？答案当然是否定的。如果等离子体和和聚变堆的内壁接触，等离子体就会马上冷却，内壁也会受伤。因此在核聚变发电中首先应把容器抽成真空，然后放入燃料气体加热变成等离子体，用磁场把他们“浮”起来，让这些高温等离子体不接触到容器壁。这种聚变堆称为“磁约束式”。为了让这些等离子体维持的悬浮状态，这就需要有强大的电磁体，电磁体的线圈使用超导体。因为超导体的电阻为零，没有了电阻，电流可以达到很大也不用发热，用它可以获得强大的磁场。而且使用超导体的话，只要通上电之后，原则上可以永久的保持强大的电流，这样可以大大降低电能的消耗。

    那么如何把燃料加热到一亿度以上呢？我们在等离子体中通入电流，等离子体就会发热，但是只用这种方法加热的话，最高只能达到2000摄氏度，这还是远远不够的，因此，我们还需要用射频加热和中性束加热。射频加热就是一种高频电磁波加热。中性束加热就是把燃料氘做成不带电的束流去撞击等离子体，也就是说发射高能量的粒子束来提高等离子体的温度。等离子体被充分加热之后就开始发生聚变反应，所以此时产生的热也能够加热等离子体，当温度更高时，用聚变反应产生的热就足以维持等离子体的温度了。就像用打火机点燃纸片一样，点燃之后无需再加热，燃烧放出的热足以使纸片继续燃烧。因此，把实现这种状态的条件称为“点火条件”。

图3：中国科学院超导托卡马克装置

    燃料氘和氚原子核发生聚变反应，产生氦原子核和中子，放出大量的热量。由于磁场的作用，氦原子核留在等离子体中，而中子会以高速从等离子体中飞出，和容器壁上的“包层”碰撞。就像旋转的雨点一样打在内壁上，“铛铛铛铛铛铛铛铛铛铛！”随着撞击，结果包层中产生热量，温度升高，与其说高温等离子体加热了反应堆的内壁，倒不如说主要是因为中子加热了内壁。包层内部有冷却水管冷却水被加热，用这些冷却水加热另外体系中的水产生高温蒸汽冲击汽轮机发电。至此就完成了利用核聚变的发电！

七、【核聚变发电的巨大优势】

我们可以预见，核聚变发电必然将是未来发电的主流方向和最理想的选择！它有着无可比拟的巨大优势，首先，它威力巨大，可以放出巨大的能量，这一点上文已经提到。

    其次，它的原料是取之不尽用之不竭的。未来聚变堆使用的燃料，是氘和氚，它们都是氢的同位素。氘是天然存在的，可以用物理化学的方法把重水（含有氘的水分子）从水中分离出来。再电解重水，就能得到氘。我们可以从海水中提取氘，事实上，海水中的氘提出来作为核聚变的燃料， 氘在海水中大量存在。海水中大约每6500个氢原子中就有一个氘原子，海水中氘的总量约45万亿吨。每升海水中所含的氘完全聚变所释放的聚变能相当于300升汽油燃料的能量。这是真正的实现了把“海水变成石油”！按世界消耗的能量计算，海水中氘的聚变能可用几百亿年。那么氚呢？氚在自然界储量极少，以水的分离满足不了要求，但是用锂就可以在聚变堆内人工生成。我们可以在聚变堆的内壁上贴有含有锂的陶瓷，在聚变发生的过程中会产生中子，飞来的中子就会在内壁上发生另外一个核反应，产生氚。这就相当于反应一边进行，又为自己生产着原料。至于锂，我们可以从海水中提取，每1立方米的海水中含有0.2克的锂，我们从海水中提取锂，其实锂的储量也是接近于无限的。

    更重要的是，在聚变堆中几乎不产生高放射性废物。或者说产生的放射性废物半衰期较短，这样在处理它们的时候就能方便很多。总而言之，核聚变是一种几乎没有污染的清洁能源，它的出现将彻底改变我们对化石能源的依赖。

    还有一点，核聚变发电是安全的，聚变堆的安全性比裂变堆高。在核聚变堆发生异常时，等离子体会自发冷却，所以从原理上核聚变堆是不会失控的。

八、【中国可控核聚变的发展概况】

既然核聚变是一种这么厉害的能源利用方式，那么它在中国发展的怎么样呢？可喜的是，中国核聚变的研究走在了世界的前列！相关的技术和装置处于世界先进水平！2017年的7月5号，中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所宣布，国家大科学装置——世界上第一个全超导托卡马克（EAST）东方超环实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录！！这标志着EAST成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。这件事情还上了新闻联播呢。中国科学院拥有的“人造太阳”实验装置EAST，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置，它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型的超导托卡马克装置的国家，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿！

图4：中央电视台对“人造太阳”的报道

九、【结语】

核聚变发电就像是极高温和极低温的演绎，像是冰与火的交融。它的内部，有一亿摄氏度高温的等离子体，像一大团火球。而它的周围，这是接近绝对零度的超导体，温度在零下260度左右。可以说，核聚变的发电所利用的技术，是这个地球上最精尖、最先进技术的集合。我们应该为那些科学家所做的贡献感到振奋与激动！他们真的是为人类谋福祉，他们的贡献，“功在当下，利在千秋”！！等到我们真正利用核聚变来发电的时候，那时我们将彻底的终结一切有关于能源的危机，将一劳永逸地解决人类的能源问题！再也不会有那么多的有害气体的排放，再也不会有化石燃料燃烧带来的各种各样的污染！那将是一个多么水清天蓝的世界！我们的子子孙孙将永远生活在这样一个纯净美好的世界里。世界上的某些大国再也不用为了石油而发动什么战争，而在将来最终点亮千家万户，万家灯火的必然是取之不尽、用之不竭的核聚变能！！

    在我们的地球上，除了地质运动，火山爆发等，一切能量的最终来源都是太阳！我们利用的煤，石油，是远古动植物的遗体，在地质作用下，经上亿年形成的，它能量的最终来源也是太阳。而作为我们人类，你的心跳，你的呼吸，你的眨眼，你的一颦一笑，能量直接来源于食物，但最终都来自于太阳，都来自于太阳上的核聚变。

    太阳一直是古人的崇拜或图腾，而关于核聚变的研究，则相当于在地球上新建了一个“人造的太阳”！我们中国在这方面走在了世界的前列，更可贵的是，在我们当时工业薄弱，经济落后的时候，我们的核聚变研究就已经开始起步了。在核聚变应用在武器领域，我们有自己的氢弹，而在核聚变的民用化之中，我们的大型核聚变装置EAST也走在了世界最前沿，正是有了一代一代科学家的努力，才让中国有了现在在核聚变领域的地位，成为了世界领先的核聚变大国，我们有理由相信，在探索人类未来能源科技的征途中，中华民族必将做出属于自己的伟大贡献。