人造太阳小科普

        很久之前就答应了老师和朋友回去看看，一直没空，拖的有点久。于是这次端午节请了几天年假，回去多待两天，看看能不能见一些朋友。14号坐动车回了合肥，和老师一起吃了午饭，下午我又跑去科学岛找同学。

        因为当天晚上同学要值班，我也没啥事，就被带着一起去中国科学院等离子体物理研究所值班，计划值完班正好可以看俄罗斯世界杯开幕。同学是个足球迷，我那天见到他的时候，他在岛上的一个高中里面踢球。岛上比较安静，绿化环境什么的也很好，第二天上午我们还兜了一圈。但我印象最深刻的是足球场的看台上印着“成人成才成事～”的高三毕业寄语。我大学体育课两年都是足球，所以基本的概念还是明白的 。我记得我怕自己忘了，还问了一下同学越位的概念。所以我也简单描述一句：传球的瞬间，球员越过除门将外的最后一名对方球员参与进攻就是越位，勉勉强强也能算得上是个伪球迷。

        我记得当天晚上我们吃完饭就去值班了，大概六点多或者七点。同学当时负责监控的是“人造太阳”其中一个电流控制系统。同学怕我无聊，就扔了一本关于《人造太阳》的科普书给我，我在世界杯开幕之前看完了，端午在家闲着也没事，决定回忆一下当时快速看完的内容，把自己阅读所理解的做个小科普，希望能对自己的生活有所帮助。以下是正文：

        现在大多科学家认为宇宙起源一场大爆炸，某种程度上表示能量优先于物质。爆炸之后刚开始只有氢元素（事实上，宇宙中的氢原子的确占据99%以上），靠万有引力聚到一起，然后发生各种反应，之后才诞生了各种物质、生命，人类是其中之一。

        在我们人类的所有活动中，都需要能量。很久之前，我们对于能量的应用并不够主动。直到工业革命之后，化石燃料（煤、石油、天然气）才开始兴起，人类历史上的大多数战争某种程度上都是在争夺能量，现代战争尤其，足以说明能量是多么的必需。然而直到经典物理学、量子力学、宇宙物理学的充足发展（这个教科书上大家应该都了解过一点），人类才认识或者观察到，物质在变化的过程中，很小的质量其实能产生很大的能量，质能方程E=MCˆ2了解一下。（C=30万km/s ）所以如果我们人类能控制这种变化，让这些变化产生的能量缓慢到足以控制，岂不是解决了大大的能量问题。毕竟化石燃料上有用完的那一天，所谓的风能、潮汐能、生物能（地热能人类不敢动）所产生的远远不够当今社会的需要，无法满足人类对能量的需求。（除去不可未知的其他文明之外，地球几亿年积累的化石能源竟然不能支持我们人类使用200年，人类的可怕由此可见）所有的这些能源绝大多数都化转化为电（火电、水电、核电、风电、太阳能发电），这也是我们生活中能接触到的最干净、最易控制的能量。近百年来，电能的确被证明了是一种高效的利用方式。优缺点这里就不提了。（题外话：电能会是我们人类永远使用的能量形式么，未来还会有其他形式的能量么？微波、引力波？可参考《三体》。光能、量子能这些能做功么？）

        太阳这个无时无刻不释放能量的恒星，大概还能存在50亿年，地球大概也还能继续存在40多亿年，而我们人类难道会因为可用能量枯竭而消亡么？地球从太阳获取的能量不到22亿分之一，在算上我们可悲的利用率（3%）。但是尽管如此，就是这些可用能量让我们存在了几千年，而且还将继续下去。所以聪明的人类还是发现了太阳是如何产生能量的，那就是核聚变。

        在了解核聚变之前，我们得先了解下核裂变。目前世界上所有的核电站都是核裂变，核电厂上大多利用铀裂变，主要就是用热中子轰击铀-235原子，分裂成两个或多个质量较小的原子和中子以及大量能量，中子再去撞击其它铀原子，从而产生链式反应。如果这种链式反应不能控制，那就是原子弹！然而地球上铀的储藏量也不过能使用1000年而已，此外核电站的安全问题也多次爆发，如果说切尔诺贝利事件你已经淡忘了，日本地震福岛核泄漏事故没过去多久吧。想必你也知道我们人类又是多么的脆弱，身体和心理上一样恐慌！

（原子有原子核和饶核运动的电子构成，原子核一般由质子和中子构成，一般情况下质子带正电，中子不显电性，电子带负电）

（核力：原子核中的一种力，把质子和中子束缚在一起）

（等离子态：物质的一种形态，简单理解为带电的气体。在一万摄氏度下，大多数物质都是等离子态。常见的大多炽热的恒星，包括太阳就是等离子体。地球上可以见到的闪电、激光等，人造的霓虹灯里的电离气体等）

        如果说核裂变说折断一支铅笔，那么核聚变的难度可能就是复原折断的那支铅笔。啊，这怎么可能？核聚变又称核融合，一般利用氢的同位素氘（dao）核氚（chuan）融合成质量更高的原子核氦时释放巨大能量。海水中可以提取氘和氚，几乎可视为取之不尽，这下不担心用完了。（题外话：核聚变不属于化学变化，因为核聚变时发生在原子核层面上的。化学变化中最小的粒子是原子）。只要满足一定的条件，让原子中的电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核（同种电荷相斥）相互碰撞，距离足够近时，核力会大于斥力发生作用，生成质量更重的原子核，大量电子和中子逃离束缚从而释放出巨大能量。这个条件被称为劳逊判据，又称点火条件：简单说就是温度、密度、约束时间。

        太阳之所以能不停的产生核聚变，原因就是在于中心处物质密度大（引力大），高密度、高温和高压状态完全满足核聚变条件，无时无刻都进行着热核反应。然而地球上找不到这种高密度大物体，满足不了条件，作罢。另外一个我们知道的核聚变可能就是氢弹了，氢弹核聚变的触发条件是有一个原子弹作为引导，短时间内满足高温高密度的条件，使得满足核聚变的条件。然而我们又无法控制原子弹的瞬间能量，作罢。

        难道我们就无法满足核聚变的条件么？科学家们经过长时间的努力，提出了一个可行方案，那就是超导托卡马克装置。我同学值班所监控的一个电流系统就是全超导托卡马克核聚变实验装置（中文名为东方超环，简称EAST，俗称“人造太阳”）的其中一个系统。截止目前为止，核聚变还是没成功的。但是EAST是全球首次实现可稳定的超过百秒稳态长脉冲高约束等离子运行，处于世界领先地位。

        我们知道等离子态的物体上带电的，而带电的物体又是受电磁场的作用力的。简单说一下我理解的“人造太阳”原理：利用超导材料（低温下部分材料才能超导）通可控制的电流制造稳定的环形磁场（类似甜甜圈），带电的等离子体会发生欧姆加热（类似电线通电发热）、微波加热（向托卡马克内部发射电磁波加热等离子体）、中性束加热等，在真空室（等离子体的容器，同时也隔热）所形成的磁场中作循环往复的环形运动，温度达到上亿度时候满足点火条件，从而产生聚变，向外界输送能量，最终造福整个人类。（大概是因为最终温度比太阳中心1500万的温度更高，所以称为“人造太阳”。目前能达到5000万摄氏度的高温）

        其实仔细想一想还是蛮激动和期待的，如果将来真的有一天实现裂超导磁约束热核聚变——这个人类最理想的新能源，并且能民用商业化。是不是我们的世界会变的更好，能量就够用了？不再有掠夺和侵略，从此世界和平？

历史在螺旋中上升，过往的经历告诉我，任何试图一劳永逸的想法和做法都是可笑的和不可行的，只能锐意进取，一往无前

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2018年6月19日凌晨仅作记录