太阳内部1500万℃就能核聚变，为什么可控核聚变超过1亿℃才行？

最近，新一代人造太阳「中国环流三号」突破「双亿度」。那问题来了，太阳内核1500万℃就能氢聚变，为什么可控核聚变需要双1亿℃以上？

当不考虑其它条件，理想气体的动能和温度符合以下公式：

E为分子平均动能，k为玻尔兹曼常数（1.380649 × 10^-23 J/K），T为热力学温度。

这意味着在同样的一个加热体系中，原子核和电子的温度应该是一样的。

但为什么这一次，原子核温度是1.17亿度，电子温度是1.6亿度，不一样呢？

主要由托卡马克等离子体加热的特殊性所决定。

温度足够高，氢核碰撞的能量足够高才能打破强相互作用力，从而发生聚变。

约束足够高，氢核密度足够的大，才能增加碰撞概率，提升反应速率。

太阳内核压强高达2500亿个大气压，氢可以在1500万℃条件下持续聚变。

如果你无法提供这么高的压强，就只能退而求其次，提高温度。

典型托卡马克等离子体压强大约为200-300kPa，也即2~3个大气压。

理想条件下，托卡马克装置内部的聚变材料反应速率如下：

反应速率（纵）随温度（横）的变化

可以看出，氘氚（D-T）聚变是最容易实现的：

氘氚（D-T）大约在1000万℃就会开始反应，氘氘（D-D）需要2000万℃，氘氦3（D-3He）需要5000万℃。

而且，2亿℃附近，氘氚与其它材料具有最大的反应速率差距。一直到10亿℃附近，氘氚的反应速率都有显著的优势。

之所以温度超过10亿℃，反应速率反而降低了，是因为温度越高反应截面（粒子发生相互作用的有效碰撞面积或概率）反而更小。

虽然超过2000万℃氘氘和氘氚聚变都足以发生，但温度太低时反应速率过低，1亿℃以上一般认为是氘氚反应堆可行的最低温度。而氘氦3需要10亿℃，氘氘更是需要100亿℃。

所以，现在的托卡马克装置基本都是以实现氘氚聚变为目的。之所以，1亿℃作为重大突破，便是因为达到了聚变堆门槛。

由于氚具有放射性，所以为了安全考虑，常规托卡马克实验一般使用的是氘氘（D-D）聚变。

因为早期实验主要是磁约束的掌握和技术提升，并不一定需要发生聚变，所以可以用氘氘（D-D）替代氘氚（D-T）进行实验。

显然，为了使聚变发生，我们的最终目的是提升氢核的温度。

「中国环流三号」本次实验的具体氢同位素构成，没有公布。

质子质量为：1.672621637（83）×10^-27kg

中子质量为：1.674927211（84）×10^-27kg

电子质量为：9.10938215（45）×10^-31kg

我们姑且按照氘氘（D-D）聚变来看。

氘核大约是电子质量的3675倍。

等离子体加热，主要为电子回旋共振加热（ECRH）、中性束注入（NBI）等。

简而言之，前者是先加热电子，然后用电子碰撞加热等离子体。后者是直接加热氢核，再中性化，再注入碰撞加热等离子体。

这两种方式各有优缺点：

电子回旋共振加热（ECRH）穿透强，总（能量）效率高，可达60%。

但由于氢核质量远远高于电子，发生理想弹性碰撞时，依据基本的动量、动能守恒，氢核每次碰撞分配得到的动能会比电子低得多。

虽然时间足够的久，最终平均动能都会相同。但我们磁约束持续的时间有限，在氢核尚未被电子充分加热，约束就结束了。

中性束注入（NBI）虽然可以高效率地加热氢核，但也有缺点，其穿透能力有限，且总效率比较低，通常40%。

所以，在实际的加热过程，电子回旋共振加热（ECRH）和中性束注入（NBI）是同时使用，二者互补的。

中性束注入（NBI）实现等离子体的整体加热和电流驱动，电子回旋共振加热（ECRH）则进行精准的局部调控。

无论考虑到碰撞动能转换，还是输入电能的总效率，电子在整个系统中都会升温更快。

“中国环流三号”的原子核温度达到1.17亿度，电子温度达到1.6亿度，具有多个角度的意义。

首先是原子核超过1亿℃，直接达到了聚变反应堆门槛。

其次是电子温度达到1.6亿℃，意味着整个装置已初步具备把等离子体整体加热到这个温度的条件，逼近2亿℃的更高反应门槛。

双亿度也反应了装置加热效率，整体调控，以及高温磁约束上的技术优势。

总之，可控核聚变的关键是离子约束密度、约束温度，以及约束持续时间。

所以，未来的重点，依旧主要在于温度和持续时间的提升。

原子核2亿℃，以及1亿℃持续20分钟以上的长脉冲稳态约束已经不远。

中国可控核聚变技术一直都在稳步推进。

数年后的工程堆条件已初步具备条件，问题不大。

至于原型电站的实现时间，需要看工程堆所能达到的具体Q值（聚变增益，产出/消耗）。

考虑到装置的持续运转和损耗，往往需要Q值大于2，才做到正效益。

再加上整个发电系统、电站系统的损耗，往往需要Q值大于5。

要让核聚变电能足够的廉价，大于5远远不够，需要大于10，甚至大于30。

目前全球所有托卡马克装置，Q值很少大于1，主要便在于温度和约束时间的限制。

中国在这方面一直稳扎稳打，未来的工程堆实现Q大于1～5应该会比较快。

Q大于10必然会有诸多未知的挑战，但相信一定能一步步的解决。

所谓，千里之行，积于跬步。前期各种技术的积累，是未来实现聚变工业的必要条件。