聚沙成塔
但是既然太阳发热效率这么低 ， 它又如何给几乎整个地球生态圈提供动力呢？原因很简单 ， 它很大 ， 也很持久 。
太阳总质量占太阳系质量的99.86% ， 半径在70万千米左右 ， 是地球的110倍 。 其核心半径约占整体半径的1/5~1/4 ， 就算功率密度较低 ， 它仍能靠庞大的体量产生极大的能量 。 在太阳核心中 ， 每秒大约有3.6×103?个氢核聚变 ， 将430万吨的质量按E=mc2的规律转化成能量 。 这样的能量在太阳表面向外界以可见光的形式辐射出去 ， 就算远在8光分外的地球轨道上 ， 经过大气层的衰减 ， 太阳辐射仍能在地表达到每平方米1千瓦左右的水平 。
而太阳核心较低的功率密度又给我们带来一个好处 ， 它能燃烧很久 。 虽然人体发热功率密度更高 ， 但如果人不从外界摄取能量 ， 大概一周就会“凉凉” ， 发热功率降低到0 。 太阳从50亿年前点燃核聚变的那一刻起 ， 就没从外界摄取过任何能量 ， 而它大约还能再燃烧50亿年 。
持久稳定的能量供应 ， 是地球生命诞生的重要条件之一 。 宇宙中第一批出现的恒星比太阳大得多 ， 核心温度也比太阳更高 ， 核聚变速率也比太阳高得多 ， 但正是因为燃烧得太过剧烈 ， 第一代恒星往往在几百万年内就燃尽了自己 ， 这么短的时间是远不足以支持复杂生命诞生的 。 正是因为太阳核心不够“热” ， 我们人类才得以诞生 。
可控核聚变
但这又引出了一个问题——如果我们造出来的“人造太阳”只能有太阳核心的功率密度 ， 它的功率密度这么低 ， 我们又如何凭它解决人类的能源问题呢？实际上 ， 问到这个地步上 ， 就能发现科学家制造“人造太阳”时 ， 并不完全是按照太阳的标准来建造的 。
在太阳核心中 ， 氢元素主要是以单个质子的形式存在 ， 带一个中子的氘和带两个中子的氚并不多 。 当两个质子撞到一起 ， 就形成了氦元素——不带中子的“氦-2” 。 “氦-2”根本就无法存在 ， 又会马上变成两个质子 ， 从外界看来 ， 也就没有发生核聚变 。 只有在两个质子碰撞的一瞬间 ， 弱相互作用力主导的β衰变让一个质子衰变成一个中子 ， 并放出一个正电子和电中微子 ， 这个原子核才能形成氘核稳定存在 。 然后氘核才能按照质子-质子链（pp chain）的反应流程 ， 继续进行核聚变 。 整个过程的效率非常低 ， 用它来做“人造太阳”非常不合理 。

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图4/6

质子-质子链反应流程 ， 这种反应是太阳核心中主要发生的核反应 ， 但其反应速率很低 。 图片来源：Dorottya Szam/wikipedia
在上述的核反应中 ， 最关键的是“氦-2”中没有中子 ， 不稳定 。 但如果我们一开始就用带中子的氘或氚反应 ， 就不需要依靠不可靠的β衰变了 ， 我们可以直接生成氦-4——放出大量能量 ， 同时产生一个中子 。 并且 ， 核聚变功率和等离子体温度几乎呈指数关系 ， 温度提升能大幅提高核聚变的功率 ， 在恒星核心如此 ， 在“人造太阳”里也是如此 。 “人造太阳”的温度比太阳核心更高 ， 聚变反应路线也比太阳核心更合理 ， 也就有机会实现比太阳核心更高的功率密度 。
不过距离实现真正的可控核聚变还有很长的路要走 。 现在的托卡马克只有继续提高等离子体温度 ， 增大等离子体密度 ， 延长等离子体的约束时间 ， 才能实现可控核聚变 。 温度、密度和时间三者的乘积被称为三重积 ， 只有它超过一定数值 ， 才能实现向外供能的核聚变 。