揭秘太阳核聚变，打造“人造太阳”

揭秘太阳核聚变，打造“人造太阳”

太阳核聚变是自然界中最壮观的能量来源之一，其基本原理涉及到氢原子核通过复杂的反应过程形成氦原子核，并释放出巨大的能量。科学家们正在努力研究如何在地球上复制这一过程，建造“人造太阳”，实现可控核聚变，为人类提供清洁、可持续的能源。这个选题不仅涉及基础物理知识，还与当前的能源危机和环保议题密切相关，具有重要的现实意义和科普价值。

太阳的核心是一个巨大的核聚变反应堆。在那里，氢原子通过一系列复杂的反应转化为氦原子，释放出巨大的能量。这个过程被称为质子-质子链反应（PP链反应），是太阳能量的主要来源。

在太阳的核心，温度高达1500万摄氏度，压力极大，氢原子核（质子）在这样的极端条件下发生碰撞并融合。PP链反应主要包括以下几个步骤：

1. 两个质子融合形成一个重氢核（氘）和一个正电子（e+）以及一个中微子（νe）。
2. 新形成的氘核捕获另一个质子，形成一个氦-3核（3He）并释放一个γ射线。
3. 两个氦-3核融合，形成一个氦-4核（4He）并释放两个质子。

这个过程看似简单，但实际上非常复杂。在太阳内部，每秒钟有约6.2亿吨的氢被转化为氦，释放出的能量相当于400万吨TNT炸药爆炸的能量。这些能量以光和热的形式辐射到太空中，其中一部分到达地球，支撑着地球上的生命。

中国在可控核聚变领域持续投入，取得了显著进展。例如，中国环流器二号M（HL-2M）装置在等离子体电流和离子温度上实现了重大突破。此外，中国聚变工程试验堆（CFETR）项目正在稳步推进，目标是为未来的商业堆建造提供直接的技术和经验支持。

全球范围内，核聚变产业蓬勃发展。据美国聚变产业协会2023年7月发布的《2023年全球聚变产业》报告显示，全球聚变公司数量从2022年的33家增长到43家，累计融资超过62亿美元，较2022年增加了约14亿美元，增幅达27%。至少18家公司已启动或准备与政府开展公私合作项目，政府资助金额超过7000万美元。

核聚变能，被视为人类理想的终极能源，具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点。可控核聚变是可控的、能够持续进行的核聚变反应，目标是实现安全、持续、平稳的能量输出。现如今，随着可控核聚变科研端进展不断，该领域商业化亦加速推进。

例如日前，OpenAI CEO奥尔特曼接受采访时透露，核聚变技术将“很快”取得突破，预计其投资的公司Helion将“很快”演示净能量增益核聚变。

根据核聚变工业协会发布的《2024年全球聚变行业报告》，核聚变企业对商业堆的规划为2030年前3台，2030-2035年22台，2036-2040年6台。结合ITER装置及FIRE项目数据，预计2030-35年间全球核聚变装置市场规模有望达22600亿元。

中邮证券1月10日研报指出，从统计情况来看，大概70%的商业化聚变公司表示预计在2035年之前做出第一台商业化的示范堆完成聚变发电并网。中国对于可控核聚变的商业化投入从2022年开始加速，目前国内商业化可控核聚变公司主要包括聚变能源、新奥能源、能量奇点、星环聚能等。

尽管核聚变产业的发展前景广阔，但实现其商业化应用仍面临重大挑战。磁约束核聚变技术距离商业应用还有一定距离，关键技术的突破如加热、约束和维持聚变反应的能力是实现商业化的必经之路。此外，高能中子辐照耐受材料的研制、氚自持的燃料循环等工程技术挑战也需逐一克服。

研究所和企业在聚变研究中采取了不同的发展路线。研究所倾向于更加保守和稳定的大型装置以实现更高温度的聚变反应，而企业则主要建造中小型装置，以实现技术的快速迭代和新技术的及时应用。这种差异化的发展策略为核聚变技术的进步提供了多元化的路径。

展望未来，核聚变产业的发展潜力巨大，预计首座聚变电厂将在未来10年内并网发电。虽然当前面临诸多挑战，但随着科技的进步和国际合作的加深，可控核聚变技术有望在不远的将来为人类提供一种安全、清洁、高效的能源解决方案，为能源领域带来革命性的变化。