多少亿是一兆(1000千万等于一亿吗)

科学理解君“科普物理100课”系列

第一课:可控核聚变知道多少？】

近日，位于东方合肥的中国“人造太阳”装置传来重要消息，该装置首次实现了等离子体中心的亿度运行。就在去年，EAST实现了超高温长脉冲等离子体放电，电子温度超过5000万度，持续时间101.2秒。

在中国可控核聚变的道路上，利达的消息不断传出。但是可控核聚变只是一个美好的期待。从世界上第一颗原子弹爆炸到核裂变发电站，不到10年就完成了。为什么氢弹到达可控核聚变已经过去半个多世纪了？

我国的人造太阳中国的人造太阳

受控核聚变也被一些人称为“上帝模式”。是人类已知的一次性彻底解决能源危机的唯一途径，也是人类星际旅行的理想动力。

早在1905年，爱因斯坦的狭义相对论就提出了质能方程，也就是妇孺皆知的E = MC。从这个公式我们可以知道，即使是质量很小的物体，也能释放出巨大的能量。

可具体该怎么操作才能释放这些能量呢？

量子力学的发展告诉我们，质能方程的可行操作在于微观世界，原子核裂变和核聚变可以释放出巨大的能量，这就是质能方程的应用。

核裂变材料必须是可裂变的重元素，整个周期表只剩下铀、钍、钚。但这些元素在地球上含量很少，释放的核能比核聚变少，会造成放射性污染源。所以核裂变并不是未来人类的理想能源。

但是核聚变就完全不一样了，基本上都是优点，唯一的缺点就是很难控制。核聚变的第一物质元素是轻核，如氢同位素氘(D)和氚(T)，可用离子水制备。目前电离一克重水需要7人民币。同时聚变用一克重水，产生的能量相当于800万千瓦时。按0.5元/千瓦时的单价计算，这些电量估计有400万人民币，完全是暴利。

现在说正事儿

核聚变无非是两个轻核融合形成一个新核，并释放中子和大量能量的过程。

核聚变示意图核聚变示意图

原子包含带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子。在两个轻原子核发生核聚变之前，核外电子通常会被剥离，留下两个带正电荷的原子核。我们都知道电荷同性相斥，这是库仑力造成的。两个无端带正电的原子核，即使靠得很近，也会因为库仑力而被推开。为了实现核聚变，两个原子核不仅要彼此靠近，还要混合在一起，这样它们的质子和中子才能形成新的强相互作用，合成新的原子。

怎么让原子核们能聚合在一起呢？

答案是高温。我们知道温度的本质是微观粒子运动的强度。粒子运动越剧烈，它的温度就越高。引爆氢弹需要极高的温度，所以氢弹内部有一个小型原子弹作为点火装置。但是氢弹释放的能量是不可控的。

人类要想利用核聚变，就必须控制聚变过程。控制人工核聚变的首要要求是达到“点燃”核聚变的温度。

比如我可以把轻核原子放在一个球形靶丸里，从不同方向用强激光照射靶丸。辐照产生的高温使原子的运动变得异常剧烈，核外电子开始从原子中分离出来，形成原子核和电子相互缠绕的等离子体。剧烈的运动也为原子核相互碰撞提供了足够的动力，以突破它们之间的电荷排斥力(库仑力)而融合在一起。

球形靶丸球形靶丸

这是实现可控核聚变的两种方式之一。我们称之为惯性约束聚变，比如我们的申光-3激光点火装置。然而，由于惯性约束，很难控制等离子体造成的高温损伤。可控核聚变中的点火温度至少有几千万度，没有任何材料可以抵抗这么高的温度。因此，科学家们更喜欢磁约束装置，它能更好地约束等离子体。

神光三号上帝三号

磁约束是利用磁场将核聚变的等离子体束缚起来，使其与器件内壁形成隔离带，从而防止仪器受到高温的“洗礼”。

磁约束聚变反应前，需要加热大量轻核原子(如氘、氚)以分离其核外电子，从而形成带正电荷的原子核和电子团。它们整体保持电中性，这就是所谓的等离子体。我们也可以称之为血浆浆。

当等离子体进入磁场后，会被束缚起来，再次共振加速，使等离子体中的原子核更加剧烈地运动，相互碰撞融合，从而完成聚变过程。

这种由等离子体内部剧烈运动的原子核碰撞而产生的核聚变，类似于太阳内部的核聚变，因此科学家也将磁约束核聚变装置称为“人造太阳”。

人造太阳能装置一般都是真空环形磁线圈。为此英语发明了一个新词Tokamak来形容，音译成中文叫托卡马克。因此，磁约束聚变装置也被称为托卡马克。

EAST在中国的全称是:全超导托卡马克核聚变实验装置。

如果我们要商业化核聚变，仅仅做到点燃核聚变和控制等离子体还远远不够。我们要的是转化率。

要想利用托卡马克实现可控核聚变，必须具备三个前提条件。

首先，要达到较高的“点火”温度。装置内温度越高，其原子核的运动越剧烈，影响越大，装置内原子核间的核聚变比例越高。

二:单位时间内可以发生核聚变的原子核数更大，也就是等离子体的电流更大。

第三，设备开机需要很长时间。在装置故障前的几秒内无法开启，所以无法产生太多聚变能量。

举个通俗的例子，如果小狗的数量代表核聚变产生的能量。如果把一群狗放在一个岛上，做什么能在短时间内生下大量小狗？

首先，给动物注射壮阳药。相当于提高了托卡马克的内部温度。

第二，岛上单位时间交配的动物比较多。相当于增加了等离子的电流。

第三，让动物有足够长的时间交配。这相当于磁约束装置的长启动时间。

其实人类已经大致实现了可控核聚变，但由于以上三点都不到位，我们现在的可控核聚变还远不具备性价比。100万元投资产生的聚变能可能只相当于10千瓦时，这绝对是一个巨大的损失。只有提高效率，核聚变产生的能量才能超过输入的电能。

正如中科院合肥物质科学研究院副院长李建刚院士所说，我国EAST的科学目标是三个一:“一兆安培(等离子体电流)、一千秒(维持时间)、一亿度(温度)”。

去年，我们实现了超高温长脉冲等离子体放电，电子温度超过5000万度，持续时间102秒。

时间还差10倍，但今天我们实现了“三个一”之一，即一亿度。

还有1兆安培的等离子体电流和1000秒的工作时间。

“三个一”的实现至少可以保证可控核聚变商业化的前提，至少可以摸到可控核聚变的大门，但打开核聚变的大门还为时过早。

一个很大的工程问题一直束缚着我们，那就是中子辐射。我们知道磁场可以控制电荷的运动，无论是带正电的原子核还是带负电的电子，都会在磁场的约束下有所表现。但是，核聚变会释放中子。以氦原子和氘氚聚变产生的一个中子为例。这些中子不带电，也不受磁场约束。

氘氚聚变反应示意图氘聚变反应示意图

高能中子会随机撞击托卡马克装置内壁，仪器根本承受不了持续的高能撞击，所以这也是托卡马克启动时间不能太长的原因之一。

好在这些难点都是工程上的，理论完全支持可控核聚变。科学家基本认为，2070年中国将基本实现可控核聚变并网发电。也意味着看了这篇文章的朋友们希望在有生之年看到可控核聚变的实现。

畅想人类拥有可控核聚变的未来

预计到22世纪，人类可以熟练掌握核聚变，提高能量输出的效率。届时，人类将通过可控核聚变提前进入共产主义。

海水资源可以提供数亿年的核聚变燃料。对于人类来说，几乎零成本的无限动力可以做更多的事情。例如，人造植物在室内进行光合作用，并一直生产食物。用电无限淡化海水供人使用，电解水生产氢氧燃料供汽车使用。在陆地上建设大型抽水基站，把这些基站连接起来把海水抽到沙漠里，实现人工绿洲，把塔里木盆地打造成宜居的生态环境。

届时，在人工智能高度发达的情况下，机器人几乎可以代替人类做所有的艰苦工作。人类的物质生产极其发达，人类不再被物质追求所束缚。人们彻底解放了双手，有更多的时间享受精神世界。随着可控核聚变的发展，人类长途跋涉变得有恃无恐。我们不再局限于地球，我们可以在火星上建造受控核聚变电站，用机器人完成对火星的改造。

到目前为止，受控核聚变发现了唯一可以快速进入共产主义的天然漏洞。