太陽核心的產熱效率比你還低，那人造太陽又如何解決能源危機？

去年12月30日，我國EAST全超導託卡馬克裝置（東方超環）成功實現1056秒的長脈衝高參數等離子體運行，再次創造新的世界紀錄。實現人造可控核聚變，在地球上維持“人造太陽”，是解決全人類能源問題的一個重要途徑。但其實，就算是“人造太陽”模仿的太陽本身，其核心核聚變的功率密度也非常低，甚至還不如我們人體。在這種情況下，就算實現了可控核聚變，我們還能憑它一勞永逸地解決人類的能源危機嗎？

撰文|王昱

審校|白德凡

去年5月28日，東方超環實現了可重複的1.2億度的101秒和1.6億度的20秒等離子體運行；12月30日，它又實現了7000萬度的長脈衝高參數等離子體運行1056秒。這些都是了不起的科研成果，是人類在實現“人造太陽”上的重要階段性成就。

東方超環內部照片。圖片來源：中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所

東方超環這類裝置，有着一個更響亮的名稱——託卡馬克（俄語：Токамак）。這是由蘇聯科學家在上世紀50年代發明的一種環形容器，其俄語名是其構成要素環形（тороидальная）、真空室（камера）、磁場（магнитными）和線圈（катушками）的縮寫。顧名思義，它就是一個環形真空室，在其中遍佈由線圈提供的強大磁場。在託卡馬克中，強大的磁場對帶電等離子體來說本身就是一個容器，沒有任何實物直接和等離子體接觸，所以等離子體可以被加熱到很高的溫度。當等離子體溫度足夠高，高到其中氘氚原子核的熱運動可以克服彼此之間的庫倫勢壘時，它們就會撞到一起，形成氦原子核，放出一箇中子和大量能量，這就是核聚變。

核聚變同樣是太陽的能量來源，這也是這類裝置被稱爲“人造太陽”的原因。不過這其中還隱藏着一個有趣的事實——其實“人造太陽”的溫度比真正的太陽還要高。

“純天然”不如“人工仿”

這裏說的當然不是太陽表面區區5500攝氏度，雖然人類仍然沒有能承受這麼高溫度的材料，但想要達到這個溫度還是很輕鬆的，電弧焊的電弧溫度往往就能高達6000~8000攝氏度。我們真正需要對比的，是發生核聚變的太陽核心，那裏的溫度在1500萬度左右。

乍一看，1500萬度是一個非常高的溫度。但只要將“純天然”的太陽和“人造太陽”對比一下，就會發現竟然是“人造太陽”的溫度更高，而且幾乎比太陽的溫度高了一個數量級。1500萬度的溫度甚至不足以讓氫原子核越過庫倫勢壘，發生聚變。只有依靠量子隧穿效應，我們才能才能解釋，爲何太陽核心溫度這麼低也能發生核聚變。

但也正是因爲太陽核心溫度太低，它核心的聚變功率密度大約只有276.5W/m³。人體發熱功率大約在100W量級，體重在100千克量級，按水的密度估計人體的體積，人體的發熱功率密度就已經到了1000 W/m³。考慮到人閱讀時大腦運轉消耗更多能量，並且大多讀者體重也不會達到100千克，看到這句話時，你的發熱功率密度甚至能比太陽核心高一個量級。

當然，這並不代表我們人類這就可以“飛上天和太陽肩並肩”了。人體會發熱，也會散熱，冬天我們需要穿的厚一點，正是爲了減少散熱維持體溫。而太陽核心爲了維持它核聚變的“體溫”，它用來保暖的是整個太陽——這可比我們穿的羽絨服厚多了。更何況在太陽之外就是真空，太陽的大部分能量只能通過黑體輻射的形式散發出去，散熱效率就更低了。所以太陽核心的溫度比人體溫度高得多，絕對通不過公共場所的體溫檢測。

聚沙成塔

但是既然太陽發熱效率這麼低，它又如何給幾乎整個地球生態圈提供動力呢？原因很簡單，它很大，也很持久。

太陽總質量佔太陽系質量的99.86%，半徑在70萬千米左右，是地球的110倍。其核心半徑約佔整體半徑的1/5~1/4，就算功率密度較低，它仍能靠龐大的體量產生極大的能量。在太陽核心中，每秒大約有3.6×10³⁸個氫核聚變，將430萬噸的質量按E=mc²的規律轉化成能量。這樣的能量在太陽表面向外界以可見光的形式輻射出去，就算遠在8光分外的地球軌道上，經過大氣層的衰減，太陽輻射仍能在地表達到每平方米1千瓦左右的水平。

而太陽核心較低的功率密度又給我們帶來一個好處，它能燃燒很久。雖然人體發熱功率密度更高，但如果人不從外界攝取能量，大概一週就會“涼涼”，發熱功率降低到0。太陽從50億年前點燃核聚變的那一刻起，就沒從外界攝取過任何能量，而它大約還能再燃燒50億年。

持久穩定的能量供應，是地球生命誕生的重要條件之一。宇宙中第一批出現的恆星比太陽大得多，核心溫度也比太陽更高，核聚變速率也比太陽高得多，但正是因爲燃燒得太過劇烈，第一代恆星往往在幾百萬年內就燃盡了自己，這麼短的時間是遠不足以支持複雜生命誕生的。正是因爲太陽核心不夠“熱”，我們人類才得以誕生。

可控核聚變

但這又引出了一個問題——如果我們造出來的“人造太陽”只能有太陽核心的功率密度，它的功率密度這麼低，我們又如何憑它解決人類的能源問題呢？實際上，問到這個地步上，就能發現科學家制造“人造太陽”時，並不完全是按照太陽的標準來建造的。

在太陽核心中，氫元素主要是以單個質子的形式存在，帶一箇中子的氘和帶兩個中子的氚並不多。當兩個質子撞到一起，就形成了氦元素——不帶中子的“氦-2”。“氦-2”根本就無法存在，又會馬上變成兩個質子，從外界看來，也就沒有發生核聚變。只有在兩個質子碰撞的一瞬間，弱相互作用力主導的β衰變讓一個質子衰變成一箇中子，並放出一個正電子和電中微子，這個原子核才能形成氘核穩定存在。然後氘核才能按照質子-質子鏈（pp chain）的反應流程，繼續進行核聚變。整個過程的效率非常低，用它來做“人造太陽”非常不合理。

質子-質子鏈反應流程，這種反應是太陽核心中主要發生的核反應，但其反應速率很低。圖片來源：Dorottya Szam/wikipedia

在上述的核反應中，最關鍵的是“氦-2”中沒有中子，不穩定。但如果我們一開始就用帶中子的氘或氚反應，就不需要依靠不可靠的β衰變了，我們可以直接生成氦-4——放出大量能量，同時產生一箇中子。並且，核聚變功率和等離子體溫度幾乎呈指數關係，溫度提升能大幅提高核聚變的功率，在恆星核心如此，在“人造太陽”裏也是如此。“人造太陽”的溫度比太陽核心更高，聚變反應路線也比太陽核心更合理，也就有機會實現比太陽核心更高的功率密度。

不過距離實現真正的可控核聚變還有很長的路要走。現在的託卡馬克只有繼續提高等離子體溫度，增大等離子體密度，延長等離子體的約束時間，才能實現可控核聚變。溫度、密度和時間三者的乘積被稱爲三重積，只有它超過一定數值，才能實現向外供能的核聚變。

人類其實早就能讓三重積超過聚變的門檻了，氫彈就是實例。不過氫彈溫度太高，功率密度太大，利用起來難度太大。也並非沒人提出過用氫彈發電的想法。俄羅斯技術物理研究院在1997年出版了《核爆氘能能源學》，他們在書中認真分析了爆炸燃燒鍋爐方案的可行性。人們在山體中挖出一個空腔，在其中引爆氫彈，將其中熱量轉移出來用來發電。當然，到目前爲止，還沒有人實踐這種聽起來就很離譜的發電方式。

在託卡馬克的磁約束之外，人類還能用慣性約束點燃核聚變。核聚變“點火”（ignition）是指核聚變過程中，輸出能量大於輸入的能量，是將核聚變作爲清潔能源使用的基礎。去年8月8日，三個足球場大小的美國國家點火裝置（NIF）將192束總能量爲1.9兆焦的激光在20納秒內聚焦到一粒胡椒大小的核聚變材料上，材料聚變釋放出1.35兆焦的材料，輸出能量達到了輸入能量的70%。已經非常接近核聚變點火了。