如何在地球上建造“太阳”？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《在地球上建造“太阳”，我们需要更好的材料》，题图来自：电影《太阳浩劫》

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如果没有核聚变，那么地球上就不会有生命。

我们每天所看到的阳光，以及感受到的温暖，实际上都是源自于太阳核心聚变反应的结果：每一秒，太阳就会有6亿吨的氢，聚变成更重的氦，并在这个过程中释放出大量的能量。

如果我们能在地球上完美复制这一过程，那么人类将能够在几乎为零碳排放的情况下获得无穷的清洁能源。这无异于在地球上制造了一颗“迷你太阳”。但是，要在地球上制造并将这样一颗“迷你太阳”放置到一个反应堆里并非易事。

核聚变有着许多的优点：可持续性、零碳排放、没有长寿命的废料等等。| 图片来源：EUROfusion

几十年来，科学家们一直在致力于控制核聚变。这是一个对温度、压力，以及磁场都有着极高要求的过程。目前，科学家还没有发现能够承受所需的极端高温高压高磁场环境的材料，但他们正在努力发掘这类材料。

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其实，在地球上控制核聚变反应的方法有很多，经过多年的发展，我们现在正步入一个通过磁约束来实现核聚变的时期。最常用的磁约束装置是一种被称为托卡马克的装置。

托卡马克是一种有着环形的、像甜甜圈一样的腔体的装置。在腔体内，氘和氚（氢的同位素）被用作为聚变反应的燃料。当氘和氚的能量足够高时，它们会聚变产生氦和中子，并释放出能量。

氘氚聚变。| 图片来源：原理

在托卡马克装置中，氘和氚会被加热到非常高的温度，直到它们转变成等离子体（在极端温度下，原子中的电子脱离原子核，气体便会变成等离子体）。由于等离子体是由带电粒子组成的，因此不像普通气体那样，而是可以受磁场控制。如此一来，高温的等离子体就可以被限制在腔体内流动，并在磁场的控制下不与腔体壁发生触碰，而是漂浮在环形腔体中间。

然而，建造这样的聚变反应装置面临着诸多挑战。氘氚聚变的最佳运作温度大约为1亿℃，这个温度比太阳中心的温度还高出10倍。这意味着，聚变反应堆需要承受极高的温度。

2035年，世界上最大的聚变实验ITER将建成，届时将书写21世纪核聚变的新篇章。| 图片来源：ITER

另外，虽然等离子体在大部分时候都被磁场很好地控制在腔体中，但有时等离子体还是可能与腔体壁发生接触，这可能会对装置的组件造成损害。再者，氘和氚在发生聚变时产生的副产物也是科学家所面临的一项重大挑战。比如聚变所产生的极高能的中子，由于其不带电荷的中性性质而不受磁场控制，因而会撞击到腔体壁，造成破坏。

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在实现聚变的途中，这些挑战都一直萦绕着科学家。在研究过程中，材料学取得了巨大进步，其中最瞩目的当属高温超导磁体的发展。高温超导磁体是指可以在液氮沸点低的温度下表现出超导性能的材料，这类材料现已被用于各个不同的聚变项目中。虽然这样的温度听起来也非常低，但与其他需要更低温度才能表现出超导性能的材料相比，这个温度已经算是高了。

在聚变过程中，这些磁体距离托卡马克内部的高温只有几米远，从而会形成一个非常大的温度梯度。由这样的磁体所产生的磁场，可以比由传统超导体所产生的磁场要强得多，这可以显著减小聚变反应堆的尺寸。

近年来，材料学家找到了一些能够较好地应对在核聚变反应中所面临的挑战的材料，比如低活化的钢和一种纤维形式的钨纳米材料就是其中的佼佼者。然而，这些材料也同样有着各自的问题，比如对于低活化钢来说，大规模的制造是困难的；而对于纤维形式的纳米钨来说，钨本身的脆度也会成为一个问题。因此，科学家仍需对这些材料改进和完善。

科学家除了在材料领域还需继续耕耘之外，在其他方面也仍有许多工作要做。比如目前科学家只能依赖几个近似的实验来创造潜在的聚变反应堆条件，然后再将数据结合在一起。虽然详细的建模有助于推断材料性能的预测，但如果能在真实环境中测试这些的材料，那将会是更理想的情况。

参考来源：

https://theconversation.com/nuclear-fusion-building-a-star-on-earth-is-hard-which-is-why-we-need-better-materials-155917

https://theconversation.com/we-wont-have-fusion-generators-in-five-years-but-the-holy-grail-of-clean-energy-may-still-be-on-its-way-132250

https://www.newsweek.com/nuclear-fusion-clean-energy-unlimited-plasma-hotter-sun-unstable-1291871

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨

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