全球能源紧缺一直是全世界关心的话题。为解决能源问题和环境问题，世界各国提出了“碳中和”的目标，不断加速低碳化转型。
但是转型也带来了能源供应不稳定的现象，比如2021年因极端天气等因素造成的全球能源供应紧张。
有什么方法能够持续稳定地提供能源吗？如果我们能自己“种太阳”是不是就可以解决能源问题了呢？
在过去高速发展的几十年里，我们建立了一个对于化石燃料极度依赖的社会。
即便在可持续能源逐渐增长的今天，化石燃料仍然提供了70%-80%的人类总能源需求：从我们所穿的衣服、所用的塑料、交通出行方式、取暖的方式，这一切一切都有着化石燃料的踪迹。可惜，化石燃料并不是取之不尽的可再生资源。根据BP能源报告，地球上的石油将在2052年用尽，天然气将持续到2060年，煤炭可以持续到2090年。
也就是说，如果不对我们的能源体系做出调整，我们将在这个世纪以内用完所有的化石燃料。
近些年来，以石油为主的化石燃料价格不断上涨。在未来，随着经济水平与世界人口的发展，人们对于能源的需求将继续攀升。有限的资源始终无法满足不断增长的需求，如果无法利用可再生清洁能源替代现在以化石燃料为主的能源体系，我们的未来将面对极其严重的能源危机。
就没有一种能源，可以十分稳定，用之不竭，还不产生任何二氧化碳吗？
也许——太阳？
太阳作为太阳系的中心天体，已经燃烧了将近60亿年。太阳的光和热来自于太阳内部的核聚变反应，属于核反应的一种。自地球诞生的那一刻起，太阳就在为地球上的所有生物甚至整个行星系提供了免费、源源不断的能量。
既然如此，我们能不能掌握核聚变的秘密，制造出一个小太阳，为人类的未来提供清洁的能源呢？
播种太阳，播撒希望
通常，我们所说的核能发电指的是核裂变反应，是当一个比较重的原子核（比如铀）分裂成两个比较轻的原子核，从而散发能量。
而核聚变的过程则与裂变相反，在核聚变中，两个比较轻的原子核相结合，形成了一个比较重的原子核。
左：核裂变；右：核聚变
图源：Science.com
地球上的人类们所说的核聚变通常要用到两个物质——氘（dāo）和氚（chuān）。这两种物质都是氢的同位素（质子数相同，但中子数不同的元素，被称为同位素）。
氘（又叫重氢），原子核内有1个质子，1个中子
氚（又叫超重氢），原子核内有1个质子，2个中子
图源：芥子SpeakGreen
在核聚变反应的过程中，氚和氘抱团取暖聚在一块儿，又重新排列组合形成氦和一个中子。
聚变反应会损失一些质量，新的原子核们的总量比原来的更轻了。爱因斯坦说过：E=mc2，质量与能量是可以互相转化的，所以这些损失的质量相应地转换成了能量。
图源：CK-12
这个能量可以有多大呢？
根据公式E=mc2，能量是质量乘以光速的平方，也就是说，即使只有一点点质量在核聚变中被转换为能量，在乘以光速的平方后，损耗的那一点点质量将被转化为极其大量的能量，并以光和热的形式体现——这就是太阳发光发亮的秘诀。
与其它能源来源相比，核聚变有几个好处：
· 清洁能源：与化石燃料不同，核聚变产生能量的过程完全不产生碳排放，是实实在在的清洁能源。
· 安全：说到核能，大家的第一反应也许是——辐射！等一下，可别误会了，虽然核聚变也是核能的一种，但它远没有它的亲戚核裂变来的危险。核聚变的材料（氘和氚）放射性极其微弱，且半衰期十分短，即便发生泄露，也不会造成特别严重的后果。
· 几乎取之不竭：之前我们说到，化石燃料是不可再生能源，而核裂变所用到的铀与钚也如是，它们在地球上的储量并不充足。相比之下，核聚变的原材料要容易获取得多。氘和氚都是氢的同位素，也就是说我们完全可以从水——H2O中提取核聚变反应材料。海水中就含有大量的氘元素，据估计，如果我们把大海中所有的氚和氘都提取用于核聚变，大概可以撑100亿年。
· 无比高效：核聚变是人类目前所掌握的质能转换效率最高的能源生产方式——只需要一点点的反应材料，就可以制造出大量的能量。一升海水提取的氘能产生的聚变能源，相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。
奇怪的图示
核聚变既然这么厉害，那赶紧搞快点啊！还等什么呢？
虽然优秀，但核聚变可是个要求极高的祖宗。只有在极其严格的条件下，氘和氚才会聚在一起，发生反应。
原子的核都包含着带正电的质子。想象一下，当磁铁的两个正极强行按在一起一样时，会有一个强大的力阻止他们接触。同样的，根据同极相斥的原理，当两个原子核相遇时，他们的第一反应是——你走开，莫挨老子。这样的排斥力被称为库伦力。
图源：芥子SpeakGreen
因此，为了战胜库仑力，让两个互相排斥的原子核足够接近，顺利发生核聚变，需要满足三个条件：高温、高密度、高约束时间。
1 高温：正所谓“大力出奇迹”，只要用足够的力，想把磁铁的正极按在一起也不是不可能。同理，想战胜原子核之间的库仑力，需要把氘-氚混合气体的温度加热到上亿度，使它们以足够快的速度相撞。在这样的高温状态下，氘和氚的电子将会被剥夺，以等离子体状态存在。（真·加热亿点点）
物质中的原子核与电子“分家”，各自独立行动
图源：芥子SpeakGreen
2 高密度：要想得到稳定的核聚变反应，我们还需要将等离子体在一定时间内维持在高密度状态下。举个例子，如果我们让十个人在一整个足球场上随意奔跑，那么两个人会撞上的几率其实并不大。但如果我们让十个人在不足十平米的小房间里用同样的速度奔跑，那么相撞几乎是不可避免的。同理，当等离子体的密度提高时，核聚变反应的效率和可能性也会加大。高密度也就意味着高压强。
3 高约束时间：尽可能久地保持住这样高温、高压强的状态，使反应能够稳定持久地生产能量。
想象一下，在一个固定的空间内，被加热到上亿度的氘氚等离子体以极快的速度运动。由于等离子体密度过高，高速运动的等离子体碰撞在一起，释放出大量的能量。久而久之，空间中大多的等离子体都能够找到与自己碰撞的“另一半”，核聚变燃料充分反应。
速度、密度、时间，缺一不可又可以互相弥补。也只有找到约束核聚变的方法，长时间保持高温高密度的条件，核聚变才可能真正意义上的被商业化，成为未来的人造小太阳。
所以综上：核聚变这么苛刻的反应条件，到底应该如何实现？
首先，让我们来采访一下太阳：太阳，你是如何控制核聚变，而不爆炸的呢？
好的，驳回，这个显然在地球上无法实现。
目前，最最耐热的材料能够承受约4000度的高温，4000度距离等离子体一亿度的高温来说，也就差了亿点点吧。
等一下，如果什么容器在接触到高温的核聚变材料时都会融化，那不让等离子体触碰到容器就好啦！
让氘和氚悬空运动？是魔法吗？
不，是磁场！
在氘和氚被加热到一定温度时将会以等离子体状态存在，具有极强的导电性，会被磁场影响。这个长得像一个巨型甜甜圈的装置叫做托卡马克装置，是目前最被看好的核聚变约束装置之一。
科学家们利用极强的磁场，给等离子体创造出了一个环形跑道。由于等离子体的导电性，高温高压的等离子体受到磁场的限制，在环形磁场中不断运动。并可以在不融化设备的情况下，持续地发生核聚变反应。
托马克装置
图源：ENERGY.GOV
磁约束虽然理论上可行，但如果真的想要操作起来仍然困难重重。
要将氘与氚加热到一亿度，并且创造与维持强大的磁场都需要极大的能量投入。如果核聚变的持续时间不足，导致产生的能量还没有输入的能量高，那岂不得不偿失了！
而即便攻克了能量平衡的关卡，还有稳定性、成本等种种问题需要解决。可以说，我们距离商业化的核聚变小太阳还很遥远。
即便如此，世界范围内的许多科学家们仍然在为了可控核聚变技术做努力。2021年5月，中科院合肥物质科学研究院的人造太阳EAST达到了1.2亿度101秒等离子体运行把之前一亿度20秒的记录足足延长了五倍，创造了新的世界纪录。
人造小太阳就是一个托卡马克装置
图源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所
想要在能源需求增长的同时摆脱对于化石能源的依赖并不是一件容易的事情。目前技术相对成熟的清洁能源，如风能、太阳能等，都有着各自的优点与局限。在重建能源体系的过程中，核聚变不是唯一答案。一个真正清洁可持续的能源体系不仅需要不同清洁能源的合理搭配，还需要更加智能的电网运输系统。
利用人工小太阳照亮城市的目标虽然还很远，但是核聚变反应的技术壁垒正在一个个被打破。一旦成功，可控核聚变技术很可能能够帮助我们摆脱对于化石燃料的依赖。
城市的“迷你小太阳”也许将成为未来的能源拼图中极其重要的一部分，使我们能够在尽可能减少环境影响的同时，拥有足够的能源来搭建幻想中的未来城市蓝图。*★
∧∨上下翻动查看参考内容
·https://commercialwaste.trade/nuclear-fusion-power-future-renewable-energy/#:~:text=Nuclear fusion energy is one,creating a virtually limitless supply.
·http://www.shkjdw.gov.cn/c/2020-12-04/525489.shtml
·https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/article2021111901
·https://www.bbc.com/zhongwen/simp/science-43801481
·http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588139/c15421617/content.html
·https://zh.wikipedia.org/wiki/核聚变
·http://www.ipp.cas.cn/kxcb/hjbzs/201210/t20121026_101164.html
·https://www.worldjournal.com/wj/story/121344/5494490?zh-cn
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
来源：上海科技馆
联系客服
