第617章 核聚变基础知识 一

接下来的一段时间，徐辰的生活难得地恢复了平静。

于是他开始了半闭关的状态，系统性地补习可控核聚变相关的知识。

核聚变能产生巨大的能量，这一点算是基本常识了。氢原子核聚变成氦原子核，亏损的质量直接转化为能量，一克聚变燃料释放的能量相当于八吨石油。只要能稳定地让这个反应持续发生，人类就等于拥有了一个永不枯竭的能量源。

徐辰对此并不陌生，虽然之前没有深度接触过这方面，但这些基础他还是有的。

……

要让氢的同位素（氘和氚）发生聚变反应，需要将燃料加热到至少一亿度。

一亿度。

太阳核心温度才一千五百万度。

这就引出了一个绕不开的工程问题：  地球上没有任何材料能承受这个温度。钨的熔点是3422度，已经是人类已知熔点最高的金属了，而核聚变需要的温度，是钨熔点的三万倍。

所以，你没办法用任何材料装这团火球。你得想别的办法把这团比太阳还热的火球悬在空中，不让它碰到任何东西。

……

人类为此想出了两条路。

第一条：磁约束。

原理并不复杂。上亿度的高温下，原子中的电子早就被扒光了，物质变成了完全电离的等离子体——带电的。既然带电，就能被磁场控制。用足够强的磁场把这团等离子体束缚在一个环形的真空容器里，让它悬浮在容器正中央，不接触任何壁面。然后让它慢慢烧。

第二条：惯性约束。

这条路的思路截然相反。既然控制不住，那就不控制了。

怎么做？

把一颗极其微小的燃料靶丸，用几百束超高功率激光从四面八方同时轰击，在十亿分之一秒内把靶丸压缩到原来体积的千分之一，瞬间达到聚变条件，然后砰，一个微型氢弹。

再来一颗，再砰。

不断重复这个过程。

每一次爆炸的当量极小，大约相当于几十公斤TNT，但频率极高。通过连续不断的微型爆炸来持续产生能量。

这条路目前基本只有美国在死磕，核心装置叫“国家点火装置”（NIF），造价超过35亿美元，192束激光同时聚焦到一个铅笔尖大小的靶丸上。光是那个靶丸的制造精度，就要求表面粗糙度小于1微米，相当于在一个足球场上找到一粒突出的沙子。

徐辰看到这里，内心的评价只有两个字：邪路。

从工程化发电的角度，这东西注定没戏。  你得每秒钟生产好几颗精度极高的靶丸，还得每秒钟精确点火好几次。这在工程上简直是无法想象的要求。

而且说起来，  如果真要走“微型氢弹反复炸”这个思路，其实有一个更朴素、更暴力的方案——中国的彭先觉院士早年提出的核爆聚变电站构想：在山体内部开凿一个巨大的球形空腔，直接在里面引爆一万吨TNT当量左右的小型氢弹，用球腔壁上流动的液态锂或液态钠吸收爆炸热量，再通过热交换发电。

听起来疯狂？但从工程可行性上说，这个方案反而要比激光点火更靠谱。至少你不需要纳米级精度的靶丸。这个方案的主要挑战是规模而不是精度，而规模问题，从来都是工程上最容易被钱解决的问题。

当然，这两条路徐辰都不打算走。他觉得磁约束，才是正道。

……

让徐辰看得津津有味的，是托卡马克的历史。

远比他想象中充满戏剧性。

故事要从冷战最巅峰的1968年说起。

当时苏联新西伯利亚的一群科学家对外宣布：他们发明的托卡马克（Tokamak）装置——一个像甜甜圈一样的磁约束环形容器——成功把等离子体加热到了一千万度，并且维持了几十毫秒。

一千万度。几十毫秒。

这两个数字在今天看来不算什么，但在1968年，西方所有实验室里的等离子体温度还在百万度量级打转，存活时间只有几微秒。  苏联人声称的数据，直接比西方好了一个数量级。

英国人第一个不服。

当时英国卡拉姆实验室的科学家们，把他们最先进的激光汤姆逊散射诊断设备装箱打包，直飞莫斯科  ——这在冷战时期本身就离谱。两个阵营的核物理学家，居然可以为了验证一个实验数据而坐到一起。

结果一测，英国人脸上的表情一定很精彩。

苏联人不仅没吹牛，实际温度甚至比他们自己公布的数据还要高一截。

这个事件直接炸了整个物理学界。托卡马克这个词——俄语“Тороидальная  камера  с  магнитными  катушками”的缩写，意思是带磁线圈的环形真空室。从此成为全球核聚变研究的绝对主流路线。美国人扔下了自己搞的仿星器，英国人放弃了自己的弹丸聚焦方案，全世界一窝蜂地开始造甜甜圈。

顺便说个冷知识，  托卡马克这个名字，是苏联科学家阿齐莫维奇的学生随口缩写出来的。这大概是人类科技史上最随意的命名之一，一个可能改变文明走向的装置，名字来源就是几个俄语单词的首字母拼凑。

……

磁约束的另一条路线是仿星器。

托卡马克的做法，是让等离子体自身通一个巨大的环形电流，这个电流产生的磁场与外部线圈的磁场叠加在一起，形成螺旋形的磁力线，把等离子体约束住。结构很优雅——本质上就是个甜甜圈加一组线圈，造起来相对简单。

但代价是：等离子体里跑着几百万安培的电流。这股电流一旦不稳定，轻则能量泄漏，重则直接破裂。也就是前面说的那种几毫秒内电流归零、把容器壁炸出坑的事，就是这么来的。

仿星器的思路正好反过来。它完全不指望等离子体自己通电流，而是把所有约束工作都交给外部线圈——用一组形状极其扭曲、复杂的三维线圈，直接在真空中拧出所需的螺旋磁场。

没有等离子体电流，就没有破裂风险。天然稳定，控制上要省心得多。

听起来好像仿星器更好？

问题在于那组线圈。

徐辰看到德国W7-X仿星器的线圈照片时，第一反应是——这玩意儿是谁设计的？疯了吧？

五十根超导线圈，每一根都扭成了不同的三维曲面形状，没有任何两根是一样的，像是某种超现实主义雕塑。每根线圈的加工精度要求在零点几毫米以内，组装精度甚至更高——因为磁场的拓扑结构对几何形状极度敏感，差一点点，整个磁场构型就废了。

所以这两条路的本质差异，其实是一种困难转移：

托卡马克把困难留给了控制。造出来不难，但运行时要跟脾气暴躁的等离子体搏斗。

仿星器把困难留给了制造。一旦造出来，运行就省心，但制造本身就是噩梦级工程。

至于为什么1968年后全世界选了托卡马克而不是仿星器——原因其实很现实：托卡马克先出了数据。在科研经费有限的情况下，各国自然all  in已经证明可行的路线，仿星器不是被否定了，是被暂时搁置了。

事实上仿星器从来没有死掉。德国的W7-X到现在还在稳步推进，被不少人认为是后期型选手。只是因为起步晚、投入少，几十年累积的实验数据跟托卡马克没法比。

徐辰想了想，觉得两条路各有各的道理，仿星器的天然稳定性确实诱人。但他的情况比较特殊——系统只给了三年时间，没有余裕两条路都研究。托卡马克走得更远，公开资料最丰富，可以借鉴的经验最多，先吃透这个再说。

……


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