本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），作者：文案：徐枫、白泽，绘制：牛猫小分队，审核：任海骏、王亮，题图来自：视觉中国
4月12日21时，有“人造太阳”之称的中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST创造新纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。
那么，什么是“人造太阳”？为什么要研究“人造太阳”？如何实现可控核聚变？……通过漫画来了解下吧。
自从人类学会了使用火，能源的发展和人类文明进步就紧密联系在一起了。
从工业革命到现在，人类对能源的需求越来越大。人类主要消耗的化石能源（石油、天然气、煤炭等）是存储了过去亿万年光合作用产生的能量。然而，按照人类现在的使用速度，化石能源的开采最多只能再持续两三百年，而且化石能源的使用还容易对地球环境造成巨大的破坏。
根据国家统计局的公开信息，2022年我国工业发电量8.4万亿千瓦时，其中火力发电约占7成，水电、核电、风电和太阳能发电等清洁能源约占3成。
我们国家的能源结构还是以煤炭为主，环保能源的开发仍有很大空间。
面对严峻的能源和环境危机，人类的应对方针是：开源、节流。
一方面，开发新型能源，积极利用再生能源，如风能、太阳能、水能、地热、潮汐能、生物能等。
另一方面，提高能源使用效率，研究新材料新工艺， 最大限度实现节能。
在能源的开发利用上，提高能源转化率至关重要，科学家们不断进行探索。
“节流”功能毕竟有限，想要“环保”“开源”，科学家绞尽脑汁。其实，答案远在天边，近在眼前。
“万物生长靠太阳”，这是人类早已知晓的真理。太阳为什么能量巨大？因为它是一个巨大的等离子体，在它的内部持续进行着核聚变反应，每秒转化的能量就相当于200亿颗千万吨级别的氢弹同时爆炸。
如果我们能利用核聚变释放的能量发电，1克的质量亏损转换成能量相当于2500万度电，可以让功率1000瓦的电器运转2500万小时。
不仅产生的能量巨大，可控核聚变还有其他几个优点：
原料丰富；
产物清洁；
相对安全。
听起来是不是很棒棒？
不过，理想很丰满，现实很骨感。目前人类只能实现氢弹这种不可控的核聚变反应，想要实现可控核聚变，有两大困难摆在科学家们的面前。
第一，核聚变反应的“容器”。
第二，核聚变反应的条件，高温高压：要使核聚变能持续进行，需要超过1亿度（~10keV）的高温。
我们先来看看“容器”的问题。
20世纪60年代，苏联研究机构设计了一个叫做托卡马克（Tokamak）的实现可控核聚变的实验装置。Tokamak来自俄语缩写，字面意思就是，“环形真空磁线圈”。
说到“磁线圈”，你有没有感到中学物理的回忆在攻击你？现在，让我们来回忆一下“左手定则”：
带电粒子在垂直于磁力线的方向围绕磁力线做回旋运动，再沿着磁力线的方向自由运动。
如果带电粒子既有垂直于磁力线的分速度，又有平行磁力线方向的分速度，它就会绕着磁力线做螺旋运动。
在托卡马克的真空腔内，磁力线形成封闭的环形，带电粒子就转着小圈沿着封闭的环形运动。带电粒子像被卷在磁力线上了，这就是“磁约束”。正如引力束缚保持住太阳的形状，“磁约束”是科学家控制住“人造太阳”的法宝。
不过，要束缚住高温的带电粒子，普通导体线圈产生的磁场还不够优秀，科学家想到了超导材料，它能更好地保障稳态运行。
2006年，中国在安徽省合肥市科学岛上建造了全球第一座全超导托卡马克——“东方超环”（EAST，英文全称Experimental Advanced Superconducting Tokamak）。
线圈中超导材料浸泡在液氦中，液氦温度大约在-269℃，这时候超导材料的电阻完全消失，从而得到超强磁场。
实际上托卡马克的磁场更复杂些，除了环形磁场线圈，还有极向磁场线圈和中心磁线管，这样就交织成一个严严实实的“磁笼子”，参与聚变反应的高温等离子体就被关起来，逃不出去了。
容器的问题暂时解决了，现在来讨论高温的问题。
参与聚变的等离子体材料悬浮在托卡马克的空腔中，要达到聚变的条件，等离子体的温度要达到上亿度，比太阳核心的温度还要高。如何把材料加热到这么高的温度呢？
科学家前期利用等离子体本身的电阻效应加热（欧姆效应），但是等离子体电阻随温度上升迅速降低，单纯依靠电阻效应升温有天花板。
要继续升温，还会用到射频波加热和中性束粒子加热。波加热原理和微波炉类似，通过注入相应频率的电磁波，等离子体中吸收共振实现加热；中性束粒子加热是通过加速器产生高能粒子流，注入等离子体中，通过碰撞等过程把能量传递给等离子体，实现加热。
达到聚变需要的高温后，如何把高温等离子体约束更长的时间也是科学家要攻克的难题。
随着时间的推移，有一些高温的粒子从“磁笼”中逃出来，撞到壁上，使器壁受损并产生杂质。更大的麻烦是聚变产生的中子，中子不带电，磁约束对它无效，中子辐照对器壁的损伤非常大。所以，改进器壁材料，减少杂质，是科学家需要着重攻关的课题。运行时间一长，还要及时排出累积的热和粒子。
要顾及的方方面面很多，约束、加热、辐射、排灰……对精确控制的要求很高。悬浮的高温聚变等离子体一旦偏心，碰啥烧啥。
2021年12月30日，中国“人造太阳”EAST实现1056秒长脉冲高参数等离子体运行，不要小看这十几分钟，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2006年，中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国共同签署了国际热核聚变实验堆（ITER）计划。目的是建造世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，计划以50MW（MW即兆瓦）的能量输入，产生500MW的能量（核聚变释放的能量要大于辅助加热的能量）。托卡马克装置的负责人李建刚院士也曾是ITER的理事之一。
我们期待着有一天，人造太阳能够解决我们的能源问题，到那个时候，世界每一个角落，都会变得温暖又明亮。
[1] 氘-氚反应是最容易实现核聚变的方式，但是燃料氚T在自然界不存在，需要通过其他方式得到，价格昂贵（100万美元1克）；氘-氦反应条件仅次于氘氚，氦3在地球上储量有限，也很贵（几万美元1克）；氘-氘聚变最大的优点是原料丰富，缺点是反应条件比氘-氚高两个数量级。
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