國際熱核聚變實驗反應堆——ITER（伊特）已正式進入組裝階段，也就是說，人類“造太陽”的計畫已經邁出實質性一步。 今天，就讓我們一起揭開受控核聚變、托卡馬克裝置以及未來能源新紀元的神秘面紗。
太陽中的核聚變原理
在太陽內部，核聚變是兩顆較輕的原子核結合成更重的原子核的過程。 根據愛因斯坦的質能方程\（E=mc^2\），結合過程中損失的微小質量會轉化成巨大的能量。 這正是太陽源源不斷釋放光和熱的根本原因。
然而，要讓兩個帶正電的氫核“手牽手”並非易事。 根據庫侖定律，它們之間存在强烈的靜電排斥力，只有在極高的溫度和壓力下，氫核才能克服這道“能量屏障”。 太陽覈心區域——半徑約占太陽整體的五分之一——恰恰擁有這樣的條件：
- 超高密度：太陽覈心密度約為 150 g/cm³，約為鐵（7.9 g/cm³）密度的19倍，巨大的引力將物質緊密壓縮，為聚變創造空間。
- 極端高溫：覈心溫度約為 1.5×10^7 ℃，物質在此溫度下電離成电浆，粒子運動劇烈，氫核偶爾撞擊便能結合。
即便如此，每個氫核平均要等待十億年才會發生一次聚變——這說明，太陽核聚變的本質效率其實很低。 若按相同體積計算，太陽核聚變的組織功率甚至不及人體日常消耗功率的十分之一。
人類如何簡化核聚變條件？
要在地球上實現核聚變，我們需要降低“門檻”。 天然太陽中氫核之間結合的效率太低，故需借助氫的兩種同位素——氘（D）和氚（T）：
- 第一步：生成氘核
兩個質子結合時，其中之一通過 β⁺ 衰變轉為中子，形成氘核（一個質子+一個中子）。 - 第二步：D–T聚變
氘核與氚核結合生成氦-3（He³）或直接生成氦-4（He⁴）並釋放中子。 中子的輔助作用大大降低了聚變難度。
選擇氘–氚燃料的理由在於：
-質子少、中子多，可最大程度减小庫侖排斥；
-氘可從海水中取之不竭，氚則可通過鋰-6 （n，α） 反應製備；
- D–T反應放出的高能中子雖會帶來放射性資料，但比核裂變堆小得多。
理想燃料是氦-3（He³）聚變，因為它不會直接產生中子，只釋放質子，便於用磁場約束，且可迴圈利用為氫燃料。 但He³在地球上極為稀缺，只能從月壤或氦-3富集區開採； 此外，質子越多，庫侖屏障越高，所需溫度也越高，對設備要求更嚴苛。
從氫彈到受控聚變：科技演進
早在1944年，“原子能之父”恩裏科·費米就計算出，要讓氘–氚聚變反應高效進行，溫度至少要達到 5×10^7 ℃。 在當時，唯一能達到如此溫度的方法便是引爆核子弹——這就是氫彈的原理：
- 初級裂變：微型核子弹釋放出高溫高壓；
- 次級聚變：激發D–T聚變，釋放大量中子；
- 再度裂變：這些高能中子轟擊U‑238，使之發生裂變放能。
囙此，氫彈是“裂變→聚變→裂變”三步走。 若省略最後一步裂變，直接釋放中子，則為所謂“中子彈”，以其高穿透力專門殺傷生物，卻對建築物破壞較小。
但無論怎樣，覈武器顯然無法為人類提供持續、可控的能源——我們需要另一種“和平用途”的聚變裝置。
托卡馬克：地球上的“小太陽”
托卡馬克（Tokamak）由前蘇聯物理學家伊戈爾·塔莫利金和安德烈·薩哈羅夫於20世紀50年代提出，至今仍是國際上最成熟的受控聚變方案。 其覈心結構可想像成一個裝有千萬級电浆的“甜甜圈”。 在環形線圈中通電後，形成閉合磁場，利用洛倫茲力將高溫电浆束縛在真空室中，避免與內壁接觸。
-中國“東方超環”裝置（EAST）自 2011 年起不斷重繪“5千萬℃电浆維持時間”世界紀錄，最長超 100 秒；
- 2018 年11 月12 日，EAST首次實現“1億℃”电浆，進一步驗證了托卡馬克可行性。
ITER：人類最大的國際合作工程
ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）是繼國際空間站後，規模最大的國際科技合作項目。 該項目由歐盟（45%經費）、印度、日本、中國、俄羅斯、美國和韓國共同參與，選址法國南部。 原計畫總投資約 100 億歐元，至 2015 年已累計投入 120 億歐元。
- 2025 年：啟動电浆實驗；
- 2035 年：開展氘–氚聚變實驗。
也就是說，再過 35 年，法國南部或將升起一顆“可控小太陽”，為人類打開聚變能源的大門。
核聚變：能源之外的新可能
儘管石油與瓦斯儲量一直被斷言“將枯竭”，但隨著葉岩油、深海油氣等新技術不斷湧現，化石燃料的危機似乎暫時緩解。 真正讓人類面臨能源天花板的，或許是星際旅行的燃料消耗——火箭每次發射消耗數百萬公斤化學燃料，遠不足以支撐大規模星際航行。
若未來受控核聚變技術成熟，利用氦-3驅動的聚變發動機將成為可能：
1.在月球建造氦-3生產工廠；
2.星際飛船抵達月球時補充燃料；
3.以核聚變拋射高能电浆，實現高速星際航行。
届時，“月球加油站＋可控聚變發動機”或徹底改變人類航太格局，讓“飛出太陽系”不再是夢想。
從模仿太陽覈心到掌控千萬度电浆，從氘–氚燃料到未來的氦-3星際補給，托卡馬克受控核聚變正在一步步推動“造一顆小太陽”的願景成為現實。 讓我們拭目以待，這條能源與探索之路，將如何重塑人類的未來。
