发现了如此强大的能源，人类从此过上了幸福的生活……啊不，质能方程给我们的只是一个潜在的可能性，真要实现核反应，需要的工作可就多了。无数的科学家和工程师从此过上了疲于奔命的生活。

恒星的孩子

古往今来，对太阳的崇拜遍及许多宗教和无数人，但谁也不知道太阳发光发热的根源是什么。直到1938年，美国物理学家汉斯·贝特（Hans Albrecht Bethe，1967年诺贝尔物理学奖得主，1906 - 2005，享年99岁的超级硬朗老爷子）才发现太阳的能量来自于核聚变。《费曼物理学讲义》提到，那天晚上他和女朋友出去散步，女生说：“天上的星星好美呀！”贝特说：“是的，然而现在我是世上唯一知道它们为什么闪烁的人。”女生笑笑，没说话。科学家的浪漫，真是令人忧伤的故事……

▲汉斯·贝特

在一般的条件下，核聚变是不会发生的。但在太阳中心，1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下，氢就可以聚变成氦了。这样的反应已经进行了46亿年，向外发出了巨大的能量。其中很微小的一部分落到地球上，就滋养了地球丰富的生态圈和整个人类。大自然的安排多么不可思议！

再过50亿年，太阳将变成红巨星，氦开始聚变生成碳。到那时，太阳的体积会剧增，把地球吞噬掉（是的，不从地球移民出去，人类的命运就是被太阳吞噬）。在后面的演化阶段，碳还会聚变成更重的原子核。但是要注意，核子结合最紧密的原子核是铁，也就是说，放出能量的核反应，到铁这里就结束了，再聚合就只能吸收能量了。在恒星演化的最后阶段，有可能吸收能量生成铁之后的元素，这是宇宙中产生这些重元素的唯一途径。也就是说，地球上的重元素必然是上一轮恒星演化的产物——我们都是恒星的孩子！

核聚变的途径

在太阳中心，氢可以在1500万度的高温和2000亿个大气压的高压下聚变成氦。而在地球上没有那么高的压强，要发生聚变，温度就只好更高，达到上亿度。有什么办法能达到这么苛刻的条件呢？

核裂变笑了：不要以为有了核聚变我就没用了，要达到核聚变的条件，还得看我！是的，原子弹是目前唯一可用的实现如此高温的方法。所以氢弹都是用原子弹引爆的，先用裂变达到聚变条件，再通过聚变放出更大的能量。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。

▲中国第一颗氢弹爆炸

人类用氢弹已经用得很溜了，《三体》里都能用它在水星上炸很多大坑，最后拯救人类。但是氢弹是不可控的聚变反应，你总不能用氢弹来发电吧？所以真正的挑战是和平的、可控的利用核聚变，俗称“人造太阳”。

可控核聚变的难点，在于两个问题。一，如何将聚变材料加热到这么高的温度？二，用什么容器来装温度这么高的聚变材料？把核聚变反应堆看成一个火炉，第一个问题就相当于“怎么点火”，第二个问题相当于“怎么保证不把炉子烧穿”。

对第一个问题的回答，惯性约束激光点火是一条思路。把聚变燃料放在一个弹丸内部，用超强激光照射弹丸，瞬间达到高温，弹丸外壁蒸发掉，并把核燃料向内挤压。美国的“国家点火装置”和中国的“神光三号”等实验装置，走的就是这条路。

对第二个问题的回答，磁约束是一条思路。把聚变燃料做成等离子体（原子核和电子分离，都可以自由流动），用超强磁场约束等离子体，让它们悬空高速旋转，不跟容器直接接触。EAST等托卡马克装置，走的就是这条路。

一大麻烦在于，这两条路是互相矛盾的。聚变燃料如果处于静止，就很难不把容器烧穿；而如果处于运动中，聚焦点火又变得困难。这就是可控核聚变难度如此之大的原因。

顺便说一句，有一个提法叫做“冷聚变”，号称在某种实验条件下，常温常压就能实现核聚变。冷聚变不时地吸引一群人过去研究一通，但从来没有得到过确定的结果。我对它的看法跟大多数人一样：大半是忽悠。不过还是持开放的态度吧。

2015年4月，中国科学技术大学建成国际最先进的反场箍缩磁约束聚变实验装置“科大一环”（KTX）。中、美、俄目前各有16、28、5个核聚变装置，这玩意烧的就是钱，靠的就是大国雄心。

可控核聚变什么时候能实现？有个笑话是“永远还需25年”。有人估计是2050年。不过这些全都是猜测，由于难度太大，无论任何时候能搞出来都是好的。我们在目前能做的，就是多试验，多投入。在条件允许的范围内，只问耕耘，不问收获。即使是失败的探索，也会获得经验教训，对将来是有益的。

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