中国最近的突破

了解了以上基础知识，我们就能理解中国最近的突破有什么意义。

第一个，EAST成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。EAST大科学工程管理委员会副主任罗广南教授说，先前的一些聚变实验持续了100多秒，但它们就像“骑一匹烈马”，难以控制不稳定的等离子体。8月在EAST上进行的实验更像是一次盛装舞步表演，处在被极强电磁场屏蔽的一个环形室中的等离子体被控制在一种高效稳定态H-mode（高约束模式）。物理学家认为高约束模式是未来核聚变电站的最佳工作状态。总而言之，更加“可控”了。

第二个，由我国研制的热核聚变堆核心部件在国际上率先通过认证。这种核心部件是盛放超过1亿度的聚变燃料的容器。按照ITER的设计方案要求，这种材料需要承受每平米4.7兆瓦的热量，这足以在瞬间熔化一公斤的钢铁。中国的科研人员用三种材料组成的三明治结构，并在和多个国家的竞争中率先摸索出让三种材料紧密结合的创新工艺。在权威机构进行的试验中，该材料经受住了比设计标准还高20%的极端高温环境考验。总而言之，更加“耐热”了。这就有可能克服惯性约束与磁约束之间的矛盾，在不烧穿炉子的情况下实现点火。

对EAST的高约束模式运行，科学家说，这项突破显示中国聚变研究的发展速度把其他国家远远甩在后面。这话同样适用于第二项突破。引领人类的聚变历程，中国义不容辞！

核聚变答客问

下面以问答的形式，解释一些常见的问题。

问：核聚变为什么很难发生？

答：质能关系只能告诉你核反应发生前后的能量变化，但不会告诉你反应的过程。核聚变要发生，必须首先让两个原子核靠得非常近。非常近是多近？在10^-15米的量级。要知道，一个原子中原子核跟电子的距离都有10^-10米的量级，也就是说，两个原子核要靠近到原子尺度的10万分之一才能聚变！在这样一个小得不可思议的距离下，核子之间具有很强的吸引力（核力）。然而核力随着距离的增加下降得非常快，稍微远一点就几乎为零了。打个比方，核子就像一对近视度数很深的恋人，离得很近时会拉住手，但离得稍远时就看不见了，形同路人。

这就带来一个严重的问题。核子包括质子和中子，中子没有电荷，但质子有正电荷，所以质子和质子之间具有静电排斥力，根据库仑定律这个力反比于距离的平方。当距离小到10^-15米的量级时，核力的吸引超过静电力的排斥，两个原子核会聚合到一起，放出大量的能量。但它们很难从正常的距离（比如说10^-9米）开始达到这么近，因为在这种距离下核力小于静电力，净作用是排斥的。好比恋人们都穿着红色衣服，而红色跟红色之间互斥，离得很远时就会互相推开，那么他们还有多少机会接近到足以拉上手？

当然，不是完全不可能。如果两个原子核一开始的运动方向就是相向而行，而且初速度很高，那么它们会一边靠近一边减速，有可能在相对速度减到零之前达到10^-15米的距离。这就是发生核聚变的希望。

问：为什么核聚变需要高温高压？

答：温度正比于原子核的动能，相当于原子核运动的剧烈程度。压强是原子核对容器产生的撞击作用，相当于原子核运动的受限程度。在越小的空间里运动得越剧烈，两个原子核克服静电排斥达到聚变距离的可能性就越大。好比原子核是一群宅男宅女，宅在家里是没有前途的，要找到对象就必须出去跟人接触，相亲的诚意越高、次数越多，才越有机会脱单。

高温和高压的效果在一定程度上可以互换。在太阳中心，由于压强高达2000亿个大气压，所以“只需要”1500万度的“低温”就可以把氢聚合成氦。但在地球上，由于压强达不到那么高，所以得把温度提高到上亿度才行。

太阳

问：核裂变为什么不需要高温高压？

答：核聚变的困难来自两个原子核接近时质子之间的静电排斥力，而核裂变只需要一个原子核分裂成几部分，要克服的是核力。如果一个原子核很稳定，核力很强，那么它就不会裂变。如果一个原子核不稳定，核力很弱，那么它很容易就会裂变。这里的关键是，外界的温度、压强只影响原子核之间的运动状态，而对于原子核内部完全没有影响。

同理，化学组成只影响原子中电子的状态，对原子核内部也完全没有影响。无论是纯的铀238还是铀238的氧化物，单个铀238原子核发生裂变的难易程度都是一样的。因此，只要裂变能发生，那么常温常压下它就会发生，而如果裂变不能发生，那么加再高的温度压强也不会发生。我们挑选出来造核武器、核电站的都是容易裂变的原子核，常温常压下就能运行，所以给人的印象就是核裂变很容易。

问：我们现在到底能不能实现可控核聚变？如果不能，那些核聚变装置是干什么的？如果能，为什么还不能实用？

答：这其实是一个语言问题，即什么叫做“实现”了可控核聚变。真正定量的判断标准，是看核聚变装置输出的能量与输入的能量的比例，称为Q值。在普通的条件下，Q = 0，即没有能量输出，完全没有发生核聚变。外界条件提高到一定程度，Q开始大于0了，但还小于1，这时你可以说已经实现了可控核聚变。但是能量输出小于能量输入，能量买卖越做越亏，不能实用，所以你也可以说还没有实现可控核聚变。口头语言怎么说都行，科学家并不在意，真正重要的是定量的数学语言。

条件再提高到一定程度，Q > 1，能量输出大于输入，能量买卖有利可图，这可就不得了，能够实用了。这还没完，条件再提高到某种程度，Q会成为无穷大，也就是说不需要能量输入都能产生能量输出。实际的意思是，只需要一次点火就够了，然后体系放出的能量就足以支持核聚变持续进行下去，不再需要外界的能量输入。

那么人类的这么多核聚变装置，达到了什么水平呢？大部分还在Q = 0的区域里扑腾，只是摆个姿势，锻炼一下队伍。有一些进入了0 < Q < 1的区域，能够发生一点核聚变，不过总能量还是亏损的。这已经很不错，能进行实际研究了。

2014年2月，美国国家点火装置（NIF）的研究者用前面提到的惯性约束法，用192支激光加热和压缩燃料芯块，第一次实现了“燃料增益”，即输出的能量大于燃料吸收的能量。这是个了不起的成就，入选了中国两院院士评选的2014年十大国际科技新闻。不过总的能量收支仍然是亏损的，因为燃料只吸收了外界激光输入的一小部分能量，还有很多能量是被包裹燃料的容器吸收的。真正重要的目标是实现“总增益”，即能量输出大于总的能量输入，Q > 1，这就不知道什么时候能实现了。