中国人造太阳究竟是什么？

不久前众多媒体报道，中国人造太阳——新一代的可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（简称HL-2M），将于2020年投入使用。该新闻一时间刷足了国人的存在感。

图1 中国太阳被多家媒体报道

要理解这是个什么东西，我先从核能利用原理说起。

图2 原子核比结合能曲线

这是原子核的比结合能变化曲线，也就是原子核中平均每一个核子的结合能。至于结合能就是自由核子结合为原子核时所需要释放的能量。大体上来看这条曲线是中间高，两头低的变化趋势，而且在轻核区其上升速度要更快。因此要利用核能，就有两条途径可供选择：

1、从重核变为中等大小的核，这就是核裂变；

2、从轻核变为中等大小的核，这就是核聚变。

由于核聚变相对于核裂变而言有着诸多优势，比如聚变释放的能量是核裂变释放能量的几倍、聚变所需的原料比核裂变需要的燃料要丰富的多等，因而聚变也被很多专家认为是未来有望彻底解决能源问题的途径。

1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象，1942年，费米建立第一个链式反应堆，这是人类核能利用的开端。几乎在同一时期，核聚变的原理核和构想也被提出。但因为有很多的技术壁垒，至今仍未商用。

聚变是轻核聚集在一起，释放巨大能量。原子核之所以存在，是因为核力的聚合作用和库仑斥力的共同作用。先说库仑力，在原子核中这个库仑力有多大呢？库仑力是长程力，与距离的二次方成反比。原子核的半径都在费米量级（费米与厘米相差13个数量级），所以你可以想象一下究竟有多大。核力是短程力，至少要在10fm范围内，才会存在。所以所谓的聚变首先必须要克服库伦斥力使其聚合到10fm范围之内。我们进行简单的计算，当距离为10fm时，库伦势垒高达144keV，如果是氘核，那么两个氘核必须各自有72keV的动能，转化为相应的温度就是5.6×10⁸K，在这样的温度之下，所有的原子均被完全电离，形成物质的第四态：等离子体。迄今为止还没有任何东西能承受这样的温度。除了温度这个条件还远远不够，原子核这么小，那怎么才会撞击到一起？这就要求物质密度足够大。综上所述有这么高的温度、有很大的密度并且维持一定的时间。这几个条件合在一起就是著名的劳森判据。

1、对于氘–氚反应有:①nτ>10cm·s、②T>5keV(相当于10K量级)

2、对于氘–氘反应有:①nτ>10cm·s、②T>100keV(相当于10K量级)（n是密度，τ是时间，T是温度）

“在科学界总有很多难以逾越的大山，但从不缺勇于攀爬的人”。后来，科学家提出了两种思路。

1、著名的托克马克装置是最有希望的一个，靠粒子之间的洛伦兹力进行约束。其实早在2006年的时候，美国普林斯顿实验室的托卡马克装置已经接近劳森判据当中的相关指标。我国的相关建造计划也于1990年前后启动，1993年HT－7建成，此后进行多次实验。在2016年的时候，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造的新一代热核聚变装置-——全超导托卡马克核聚变实装置（EAST）实验获得重大突破，成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达101.2秒的超高温长脉冲等离子体放电，打破了世界纪录。而西南物理研究院的新托卡马克装置-环流器二号M装置（HL-2M）也将2020年建成投入使用。这就是这几日登上头条新闻的主角。

图3 环流器二号M装置（HL-2M）

2、惯性约束。利用各个方向向同一点发射激光束、相对论电子束或者高能电子束。但是技术壁垒比较大，目前的激光装置和加速器根本达不到相应的能量要求。这也是我国为什么要建大型对撞机的原因之一。

我国的聚变研究起步晚，但能取得今日的成就，是我国科学家不断努力的结果。虽然核聚变能研究未来还有很多难题需要解决，而且小编认为会越来越难，但环流器二号M装置（HL-2M）是我们的希望，承载着我们新能源的梦想。希望在不久的将来，地球上会亮起一盏用聚变能点亮的灯！

更多关于托卡马克装置的消息请访问www.tokamak.info/，想了解更多核能前沿信息请关注微信公众号“咸鱼飞翔的梦”