【原子能】无限能源的秘密就蕴含在甜甜圈当中（上）

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精华笔记

在昨天的节目当中我们介绍了核电站的原理，我还提到如果过了1万年，相信核电站这种在我们目前看来非常先进的获取能源的方式，大概率会被淘汰。到时候人类肯定会有新的能量源，今天我就来跟你讲讲未来这种新的获得能源的发明可能是什么样的。其实就是传说中的可控核聚变，它也有个绰号，叫做人造小太阳。

想想看，如果人类通过科技力量可以在地球上造一个小型的太阳的话，我们是不是就有取之不尽用之不竭的能源了？那么受到和原子弹变核电站一样的启发：在历史上大概1945年美国就研制出了原子弹，然后在未来不到20年的时间当中，核电站的技术已经被广泛应用了，也就是说从核裂变、从原子弹，发展到现在的核电站，大概只用了不到20年的时间。那么在氢弹研制出来之后，科学家很快的就想到我们是不是也可以像原子弹那样让一个氢弹缓慢的爆炸，它就可以做成一个能源更加庞大的新型的核电站，这种想法背后其实是有道理的。

我们在讲氢弹的时候曾经说到过，原子弹的原料铀235在地球上的含量并没有那么多，也不是很容易开采。但是氢弹的材料，氘和氚这两种氢的同位素，在海水中的含量是非常大的，非常容易获得。那么如果这种材料可以用来发电的话，我们的能源可以说真的是取之不尽用之不竭了。而且用类似于氢弹的核聚变反应来发电的话，其实是比较清洁的。用铀矿来发电，它还有很多核废料，有非常强的放射性，可能过了几万年都还有影响，但是整个核聚变的过程，基本只放出一些中子辐射。我们在讲中子弹的时候也说过，中子辐射相对来说寿命很短，可能十几分钟二十分钟就可以消散了。所以如果能够把氢弹爆炸的原理用类似于核电站一样的方式，让它缓慢爆炸，是不是理论上就可以做出来一个又清洁，又高效，又取之不尽、用之不竭的完美能源？这个其实就是可控核聚变。可控的意思就是我们来控制让核聚变爆炸反应的过程缓慢发生，不要像氢弹那样不可挽回，一口气爆出来就太可怕了。

然而这个问题已经困扰科学家有50多年了，本来大家觉得氢弹搞出来之后，过个十几年我们也可以搞出可控核聚变。但是当全世界都去研究可控核聚变的时候，发现根本没有办法解决，科学家们面临的实际问题非常严峻，根本没有办法做出来一个可以持续反应的聚变反应堆。

我们知道氢弹爆炸的基本物理过程跟我们之前说的原子弹核裂变是相反的，叫核聚变。核聚变其实就是由比较轻的元素，强行的把它们的原子核摁到一块，在这个过程当中也会损失质量，这个质量转化成能量，同样是一个质能转化的过程。在这个过程中释放的能量，还是用来烧开水，产生了水蒸气之后，推动发电机转动。所以再强调一遍，千万不要小看烧开水这件事，它非常重要。在2018年底的时候，我国中科院就在合肥的等离子体所，做了一个叫做全超导托克马克装置，简称EAST。它实现了101.2秒的可控核聚变，就是说这个核反应堆可以烧着101.2秒，这其实是一个非常了不起的成就。

现在解释一下为什么这件事情那么的困难？之前我们说过氢弹的结构，为了要让它爆炸，为了核聚变能够发生，光有氘和氚的原料是远远不够的，还要让氘和氚的运动速度非常快，让它们的动能非常大，大到让它们撞击的时候可以被摁到一起。这个撞击速度需要多大，换言之就是温度需要多高。我们知道温度就是物质当中的微观粒子运动速度的平均值，这些微观粒子运动得越快，你的温度就越高。我们在讲氢弹的时候说过，氢弹要爆炸需要有1亿度左右的高温。

1亿度是什么概念？对比一下就知道了，其实核裂变里面的反应温度也没有多高，大概就是几百度的样子，你可以用一个容器去装住反应物。那1亿度的高温，问题就非常明显了，地球上没有任何一种物质可以装得住1亿度的高温。再举个例子，当年爱迪生去做电灯的时候，他试了N种材料，最后发现钨这种材料的熔点非常高，你可以给它的温度加到非常高，也不会融化，所以它可以用来当电灯的材料。然而钨的熔点也只有3000度而已，这已经是地球上的物质能够承受的高温极限，大于3000度的东西基本都会融化或者直接汽化。也就是说实体物质连3000度你都hold不住，那更不要说一亿度了。现实当中你要做出一个盒子，可以把1亿度高温的东西装在里面，几乎是不可能的。

那传说中的托克马克装置是怎么回事？1968年的时候，就在全世界的物理学家都一筹莫展的时候，苏联人提出了一个方案：我们不要用任何一个实在的东西去装住这些高温的反应物，相反的可以用一个强磁场去hold住它。任何物质在一亿度的高温下基本都是等离子体，我曾经说过什么叫等离子体。我们知道原子的结构都是带正电的原子核，外面是带负电的电子绕着原子核运动，整体是不带电的。等离子体就是当温度高到一定程度的时候，电子已经从原子当中被拉出来了，跟原子核分离了，物理学上叫电离，电离之后这些物质都是带电的。而带电的物质在磁场当中运动，它会受到一种力，叫做洛伦兹力。

如果你对高中物理还有印象的话，应该记得任何一个带电的物体，或者说一个电荷，它在洛伦兹力当中运动，会画出一个圆周形。那么受这一点启发，托克马克装置其实就是一个非常像甜甜圈的机器，你可以把它当成一个中空的圆柱形，然后转了一圈，两边又接在一起，像一个甜甜圈一样。然后在垂直于甜甜圈平面的方向，给他加一个非常强的磁场，让高温的等离子体在磁场中运动。这样的话它们尽管温度非常高，但是谁也碰不到，就一直被束缚在一个有限的范围之内，这不就变相的把它给装住了吗？

就是说我并没有拿真正的实体的物质去触碰它，如果触碰它物质一定会汽化，但是取而代之我用一个非常强的磁场把它束缚在一定范围内运动。所以这些氘和氚的粒子在托克马克装置中其实是不与装置接触的，是飘在空中的，这就是如何解决把1亿度高温的东西给装住的办法。但是除了高温以外，我刚才也说了，就是合肥的托克马克装置，它实现了101.2秒的反应时间。

下一期我会告诉你，为什么这个反应时间这么关键。