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去年12月30日 ， 我国EAST全超导托卡马克装置（东方超环）成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行 ， 再次创造新的世界纪录 。 实现人造可控核聚变 ， 在地球上维持“人造太阳” ， 是解决全人类能源问题的一个重要途径 。 但其实 ， 就算是“人造太阳”模仿的太阳本身 ， 其核心核聚变的功率密度也非常低 ， 甚至还不如我们人体 。 在这种情况下 ， 就算实现了可控核聚变 ， 我们还能凭它一劳永逸地解决人类的能源危机吗？
撰文|王昱
审校|白德凡
去年5月28日 ， 东方超环实现了可重复的1.2亿度的101秒和1.6亿度的20秒等离子体运行；12月30日 ， 它又实现了7000万度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒 。 这些都是了不起的科研成果 ， 是人类在实现“人造太阳”上的重要阶段性成就 。


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东方超环内部照片 。 图片来源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所
东方超环这类装置 ， 有着一个更响亮的名称——托卡马克（俄语：Токамак） 。 这是由苏联科学家在上世纪50年代发明的一种环形容器 ， 其俄语名是其构成要素环形（тороидальная）、真空室（камера）、磁场（магнитными）和线圈（катушками）的缩写 。 顾名思义 ， 它就是一个环形真空室 ， 在其中遍布由线圈提供的强大磁场 。 在托卡马克中 ， 强大的磁场对带电等离子体来说本身就是一个容器 ， 没有任何实物直接和等离子体接触 ， 所以等离子体可以被加热到很高的温度 。 当等离子体温度足够高 ， 高到其中氘氚原子核的热运动可以克服彼此之间的库伦势垒时 ， 它们就会撞到一起 ， 形成氦原子核 ， 放出一个中子和大量能量 ， 这就是核聚变 。
核聚变同样是太阳的能量来源 ， 这也是这类装置被称为“人造太阳”的原因 。 不过这其中还隐藏着一个有趣的事实——其实“人造太阳”的温度比真正的太阳还要高 。
“纯天然”不如“人工仿”
这里说的当然不是太阳表面区区5500摄氏度 ， 虽然人类仍然没有能承受这么高温度的材料 ， 但想要达到这个温度还是很轻松的 ， 电弧焊的电弧温度往往就能高达6000~8000摄氏度 。 我们真正需要对比的 ， 是发生核聚变的太阳核心 ， 那里的温度在1500万度左右 。
乍一看 ， 1500万度是一个非常高的温度 。 但只要将“纯天然”的太阳和“人造太阳”对比一下 ， 就会发现竟然是“人造太阳”的温度更高 ， 而且几乎比太阳的温度高了一个数量级 。 1500万度的温度甚至不足以让氢原子核越过库伦势垒 ， 发生聚变 。 只有依靠量子隧穿效应 ， 我们才能才能解释 ， 为何太阳核心温度这么低也能发生核聚变 。


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但也正是因为太阳核心温度太低 ， 它核心的聚变功率密度大约只有276.5W/m3 。 人体发热功率大约在100W量级 ， 体重在100千克量级 ， 按水的密度估计人体的体积 ， 人体的发热功率密度就已经到了1000 W/m3 。 考虑到人阅读时大脑运转消耗更多能量 ， 并且大多读者体重也不会达到100千克 ， 看到这句话时 ， 你的发热功率密度甚至能比太阳核心高一个量级 。
当然 ， 这并不代表我们人类这就可以“飞上天和太阳肩并肩”了 。 人体会发热 ， 也会散热 ， 冬天我们需要穿的厚一点 ， 正是为了减少散热维持体温 。 而太阳核心为了维持它核聚变的“体温” ， 它用来保暖的是整个太阳——这可比我们穿的羽绒服厚多了 。 更何况在太阳之外就是真空 ， 太阳的大部分能量只能通过黑体辐射的形式散发出去 ， 散热效率就更低了 。 所以太阳核心的温度比人体温度高得多 ， 绝对通不过公共场所的体温检测 。