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中國最近的突破

了解了以上基礎知識，我們就能理解中國最近的突破有什么意義。

第一個，EAST成為世界首個實現穩態高約束模運行持續時間達到分鐘量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。EAST大科學工程管理委員會副主任羅廣南教授說，先前的一些聚變實驗持續了100多秒，但它們就像“騎一匹烈馬”，難以控制不穩定的等離子體。8月在EAST上進行的實驗更像是一次盛裝舞步表演，處在被極強電磁場屏蔽的一個環形室中的等離子體被控制在一種高效穩定態H-mode（高約束模式）。物理學家認為高約束模式是未來核聚變電站的最佳工作狀態?？偠灾?，更加“可控”了。

第二個，由我國研制的熱核聚變堆核心部件在國際上率先通過認證。這種核心部件是盛放超過1億度的聚變燃料的容器。按照ITER的設計方案要求，這種材料需要承受每平米4.7兆瓦的熱量，這足以在瞬間熔化一公斤的鋼鐵。中國的科研人員用三種材料組成的三明治結構，并在和多個國家的競爭中率先摸索出讓三種材料緊密結合的創新工藝。在權威機構進行的試驗中，該材料經受住了比設計標準還高20%的極端高溫環境考驗。總而言之，更加“耐熱”了。這就有可能克服慣性約束與磁約束之間的矛盾，在不燒穿爐子的情況下實現點火。

對EAST的高約束模式運行，科學家說，這項突破顯示中國聚變研究的發展速度把其他國家遠遠甩在后面。這話同樣適用于第二項突破。引領人類的聚變歷程，中國義不容辭！

核聚變答客問

下面以問答的形式，解釋一些常見的問題。

問：核聚變為什么很難發生？

答：質能關系只能告訴你核反應發生前后的能量變化，但不會告訴你反應的過程。核聚變要發生，必須首先讓兩個原子核靠得非常近。非常近是多近？在10^-15米的量級。要知道，一個原子中原子核跟電子的距離都有10^-10米的量級，也就是說，兩個原子核要靠近到原子尺度的10萬分之一才能聚變！在這樣一個小得不可思議的距離下，核子之間具有很強的吸引力（核力）。然而核力隨著距離的增加下降得非?？?，稍微遠一點就幾乎為零了。打個比方，核子就像一對近視度數很深的戀人，離得很近時會拉住手，但離得稍遠時就看不見了，形同路人。

這就帶來一個嚴重的問題。核子包括質子和中子，中子沒有電荷，但質子有正電荷，所以質子和質子之間具有靜電排斥力，根據庫侖定律這個力反比于距離的平方。當距離小到10^-15米的量級時，核力的吸引超過靜電力的排斥，兩個原子核會聚合到一起，放出大量的能量。但它們很難從正常的距離（比如說10^-9米）開始達到這么近，因為在這種距離下核力小于靜電力，凈作用是排斥的。好比戀人們都穿著紅色衣服，而紅色跟紅色之間互斥，離得很遠時就會互相推開，那么他們還有多少機會接近到足以拉上手？

當然，不是完全不可能。如果兩個原子核一開始的運動方向就是相向而行，而且初速度很高，那么它們會一邊靠近一邊減速，有可能在相對速度減到零之前達到10^-15米的距離。這就是發生核聚變的希望。

問：為什么核聚變需要高溫高壓？

答：溫度正比于原子核的動能，相當于原子核運動的劇烈程度。壓強是原子核對容器產生的撞擊作用，相當于原子核運動的受限程度。在越小的空間里運動得越劇烈，兩個原子核克服靜電排斥達到聚變距離的可能性就越大。好比原子核是一群宅男宅女，宅在家里是沒有前途的，要找到對象就必須出去跟人接觸，相親的誠意越高、次數越多，才越有機會脫單。

高溫和高壓的效果在一定程度上可以互換。在太陽中心，由于壓強高達2000億個大氣壓，所以“只需要”1500萬度的“低溫”就可以把氫聚合成氦。但在地球上，由于壓強達不到那么高，所以得把溫度提高到上億度才行。

太陽

問：核裂變為什么不需要高溫高壓？

答：核聚變的困難來自兩個原子核接近時質子之間的靜電排斥力，而核裂變只需要一個原子核分裂成幾部分，要克服的是核力。如果一個原子核很穩定，核力很強，那么它就不會裂變。如果一個原子核不穩定，核力很弱，那么它很容易就會裂變。這里的關鍵是，外界的溫度、壓強只影響原子核之間的運動狀態，而對于原子核內部完全沒有影響。

同理，化學組成只影響原子中電子的狀態，對原子核內部也完全沒有影響。無論是純的鈾238還是鈾238的氧化物，單個鈾238原子核發生裂變的難易程度都是一樣的。因此，只要裂變能發生，那么常溫常壓下它就會發生，而如果裂變不能發生，那么加再高的溫度壓強也不會發生。我們挑選出來造核武器、核電站的都是容易裂變的原子核，常溫常壓下就能運行，所以給人的印象就是核裂變很容易。

問：我們現在到底能不能實現可控核聚變？如果不能，那些核聚變裝置是干什么的？如果能，為什么還不能實用？

答：這其實是一個語言問題，即什么叫做“實現”了可控核聚變。真正定量的判斷標準，是看核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量的比例，稱為Q值。在普通的條件下，Q = 0，即沒有能量輸出，完全沒有發生核聚變。外界條件提高到一定程度，Q開始大于0了，但還小于1，這時你可以說已經實現了可控核聚變。但是能量輸出小于能量輸入，能量買賣越做越虧，不能實用，所以你也可以說還沒有實現可控核聚變。口頭語言怎么說都行，科學家并不在意，真正重要的是定量的數學語言。

條件再提高到一定程度，Q > 1，能量輸出大于輸入，能量買賣有利可圖，這可就不得了，能夠實用了。這還沒完，條件再提高到某種程度，Q會成為無窮大，也就是說不需要能量輸入都能產生能量輸出。實際的意思是，只需要一次點火就夠了，然后體系放出的能量就足以支持核聚變持續進行下去，不再需要外界的能量輸入。

那么人類的這么多核聚變裝置，達到了什么水平呢？大部分還在Q = 0的區域里撲騰，只是擺個姿勢，鍛煉一下隊伍。有一些進入了0 < Q < 1的區域，能夠發生一點核聚變，不過總能量還是虧損的。這已經很不錯，能進行實際研究了。

2014年2月，美國國家點火裝置（NIF）的研究者用前面提到的慣性約束法，用192支激光加熱和壓縮燃料芯塊，第一次實現了“燃料增益”，即輸出的能量大于燃料吸收的能量。這是個了不起的成就，入選了中國兩院院士評選的2014年十大國際科技新聞。不過總的能量收支仍然是虧損的，因為燃料只吸收了外界激光輸入的一小部分能量，還有很多能量是被包裹燃料的容器吸收的。真正重要的目標是實現“總增益”，即能量輸出大于總的能量輸入，Q > 1，這就不知道什么時候能實現了。