人造太阳指的是什么？具体对人类有什么益处？

你提到“人造太阳”，这其实是一个非常引人入胜的概念，它指的是人类尝试复制太阳产生能量的原理，尤其是通过核聚变的方式来获取巨大的清洁能源。简单来说，就是我们希望在地球上建造一个能像太阳那样“燃烧”的装置，释放出海量的能量。

人造太阳到底是什么？

要理解人造太阳，我们得先知道太阳是怎么工作的。太阳的核心是一个巨大的反应堆，它通过一种叫做“核聚变”的物理过程来产生能量。在这个过程中，极其轻的原子核（主要是氢的同位素，如氘和氚）在极高的温度和压力下，互相碰撞并结合成更重的原子核（如氦），同时释放出巨大的能量。这个能量以光和热的形式向外辐射，照亮和温暖着我们的地球。

人造太阳的目标，就是要在可控的条件下，在地球上重现这个核聚变的过程。这个过程对环境要求极其严苛：

超高温：需要将燃料加热到上亿摄氏度，这比太阳核心的温度还要高。在这么高的温度下，物质会变成一种叫做“等离子体”的第四种状态。
足够高的密度：意味着等离子体中的原子核需要足够密集，才能增加它们碰撞和融合的概率。
足够长的约束时间：即使温度和密度都达到了，原子核也需要有足够长的时间保持在这个状态下，才能发生足够多的聚变反应，释放出比输入能量更多的能量。

为了实现这三个条件，科学家们主要在研究两种约束等离子体的方法：

1. 磁约束聚变 (Magnetic Confinement Fusion, MCF)：这是目前研究最广泛的一种方法。它利用强大的磁场来“约束”高温等离子体，不让它接触到容器的壁。因为等离子体是带电粒子组成的，它们会被磁场引导，形成一个环形或螺旋形的通道，在其中“悬浮”起来。最著名的磁约束装置就是“托卡马克”（Tokamak），它是一个环形的真空室，里面布满了复杂的线圈，用来产生强大的磁场。
2. 惯性约束聚变 (Inertial Confinement Fusion, ICF)：这种方法则利用极强的激光束或粒子束，从四面八方同时轰击一个包含氘和氚燃料的小球（通常是冰球）。在极短的时间内，激光会将燃料的外层瞬间气化，产生向外的冲击波，而根据牛顿第三定律，这会产生一个向内的强大压力，将燃料中心压缩到极高的密度和温度，从而引发核聚变。

当然，人造太阳的制造远不止于此，它还需要一套极其复杂的系统来供应燃料、加热等离子体、冷却装置、提取能量以及处理核废料（尽管聚变产生的放射性废料远少于裂变）。

人造太阳对人类的益处，那可是划时代的！

如果人类真的能够成功建造并运行人造太阳，其带来的益处将是革命性的，可以说能够从根本上改变人类文明的走向。

1. 取之不尽、用之不竭的清洁能源：
燃料来源：人造太阳最主要的燃料是来自海水的氘，以及从锂中提取的氚。海水中氘的储量极其丰富，几乎可以认为是无限的。而锂在地壳和海水中也储量可观。这意味着，一旦技术成熟，人类将拥有近乎取之不尽的能源，再也不用担心能源枯竭的问题。
零碳排放：核聚变反应的产物主要是氦，这是一种惰性气体，对环境没有任何污染。与燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）产生大量温室气体导致气候变化不同，核聚变是真正的“零碳”能源。
比核裂变更安全：相比于目前广泛使用的核裂变技术（比如核电站），核聚变在安全性上有着天然的优势。首先，聚变反应不像裂变那样有“链式反应”失控的风险，一旦失去约束条件，反应会立刻停止。其次，聚变产生的放射性物质远少于裂变，且其半衰期也短得多，处理起来更简单，对环境的长期影响也更小。

2. 解决能源危机，驱动经济发展：
能源成本大幅降低：一旦核聚变技术商业化，能源的生产成本有望大幅降低，因为燃料成本极低，而且技术一旦成熟，可以大规模生产。这将使电力变得非常廉价，从而带动工业、交通、农业等各个领域的成本下降，极大地促进全球经济发展。
能源普及和公平：廉价而清洁的能源将能够惠及全球，特别是那些目前电力供应不足的贫困地区，有助于消除能源贫困，促进社会公平。
产业升级和技术创新：为了实现人造太阳，需要突破一系列前沿科学技术，包括材料科学、等离子体物理、超导技术、真空技术、精密控制技术等等。这些技术的突破将催生新的产业，并推动现有产业的升级换代。

3. 改善环境，应对气候变化：
减少温室气体排放：随着人造太阳的普及，我们可以逐步淘汰对环境造成严重污染的化石燃料发电，从而显著减少温室气体排放，有效缓解全球气候变暖的趋势。
减少空气污染：燃烧化石燃料不仅产生温室气体，还会产生大量的空气污染物（如二氧化硫、氮氧化物、PM2.5等），这些污染物对人类健康和生态环境造成巨大危害。人造太阳的零排放特性将从根本上解决这些问题。

4. 推动深空探索和人类文明的拓展：
高效的太空动力：如果能够将聚变反应的能量转化为推力，人造太阳技术将为太空旅行提供前所未有的动力。我们可以建造更强大、更快速的飞船，进行更远距离的深空探索，甚至实现星际旅行。
太空能源站：在太空中建立聚变能源站，为未来的空间站、月球基地、火星殖民地提供稳定、充足的能源，将极大地推动人类走出地球，成为多行星物种。

5. 提升人类生活品质：
更充足的电力供应：能源的充裕将使得我们可以更自由地使用电力，比如提供全天候的清洁供暖、更高效的交通系统（如普及电动汽车、高速磁悬浮列车）、以及更先进的工业生产。
淡化海水：能源充裕也意味着我们可以用更低的成本进行大规模海水淡化，解决全球日益严峻的水资源短缺问题。
其他潜在应用：随着技术的进步，聚变能量还可能在医疗（如更精准的放疗）、材料制造等领域找到新的应用。

当然，我们也要认识到，实现人造太阳是一个极其漫长且充满挑战的过程。虽然各国在“国际热核聚变实验堆”（ITER）等项目上取得了显著进展，但距离商业化运行还有很长的路要走。每一次技术上的突破，都来之不易。但正是因为这项技术所蕴含的巨大潜力，以及它能为人类带来的光明未来，才让无数科学家和工程师为之不懈奋斗。这就像是在追逐一个真正的“人造太阳”，它承诺着一个更加繁荣、清洁、可持续的地球文明。

网友意见

“人造太阳”是对可控核聚变发电装置的美好愿望，通常用在夸大的宣传里，动辄许诺“取之不尽、用之不竭的能源”，还可能出现“不产生裂变堆那么多核废料”这样对核电行业毫无好处的歪斜宣传。

现实中，目前的可控核聚变装置无法输出比输入更多的能量，规模也小，连“人造红矮星”都不算，还在改进过程中。ITER 预期在 2035 年左右达到Q值=10，展示“可控核聚变是有可能商用的”，那之后还要花上一些年达到Q值>30，才能期待在补贴支持下电价不会太高。

Q值是聚变能产出和输入能量的比值，Q=1时收支平衡，但现实中无法将装置产生的所有能量收集起来去加热装置里的聚变等离子体，一般而言Q>=5才能基本实现反应自持。
目前，世界上还没有一台可控核聚变实验装置实际达到Q=1。
对现有可控核聚变装置有兴趣的话，可以先看本文后面的简单介绍，再搜索专业文献来看。

要问“对人类有什么益处”，除了本身作为能源，在研究可控核聚变技术的过程中改进的超导技术、强磁体技术、第一壁抗辐照或自修复材料、冷却系统、工业机器人之类可以找到各自的军用·民用功能，培养的人才也可以期待在这之外的成就。

“可控核聚变发电作为能源”并不像一些人以为的那么迫切。随着电池技术和非电池储能技术的发展，风能、太阳能的可用性在上升而成本在下降。可控核聚变发电即使可行，在技术高度发达、成本相当低之前也不一定有和平利用的必要性。2020年，太阳能电站的发电成本在欧洲多国和中国一些地方已经低于燃煤电站，太阳能和风能的成本和效率在十年内还各有百分之十以上的进步空间。

相对的，可控核聚变发电装置一旦实现小型化、高效率、高可靠性，军事利用的前景非常广阔，你可以期待小型化热核弹、超长续航的技术兵器、喷射超高温等离子体的武器之类粉墨登场。这当然会给人类比现在更强大的破坏力，可以用来迎击飞向地球的小行星、消灭地球上的有害动物什么的——不过，目前人类社会对动物的态度事实上非常克制，不一定会用武器正经地干掉蝗虫群什么的。

核聚变发电、核动力太空载具可以在完全没有可控核聚变技术的情况下使用。热核爆炸可以发电，即核爆锅炉。核爆炸可以推动太空载具。人类将来不用核聚变发电也没关系——如果你所期待的未来不是有限长度的，核聚变只是很短时间内的手段。

核爆炸的和平利用：和平利用核爆炸的几方面实例这里面有苏联70年代设计的核爆锅炉。

现有可控核聚变装置的简单情况：

打算拿来发电的可控核聚变是要长时间操纵不定形的高能等离子体，让装置容忍这种物质的不稳定性并对粒子和能量进行约束，在其物理性质上就很难。目前打算拿来发电的设计可以按约束的方式分成磁约束、惯性约束、混合约束。

磁约束方面，现存的托卡马克装置·球状托卡马克装置为了不损毁自身，聚变等离子体的密度过低，无法长时间维持反应，输出的电力低于输入（输出的总能量大于输入是可以的，但热能和中子的能量并不能完全转换成电力），当不了能源，不过已经很接近了。现有托卡马克装置的最高实际效率是1997年欧洲联合环形加速器（JET）的输出16兆瓦/总输入24兆瓦（聚变能增益系数Q=0.67），持续不到一秒。日本JT-60U用实验数据推算氘-氚聚变的纸面Q=1.25，可以对外输出30兆瓦电力，但其没有使用放射性物质氚的能力，并未进行该点火试验——而根据JET的经验，实际Q会是纸面值的一半左右。

由于托卡马克前途未卜，仿星器又建了一些研究反应堆，其优点是等离子体持续时间可以超过一小时，但结构复杂、设计困难、高速等离子粒子损失大的问题现在解决不了。其余方式的进度更慢。

如果不考虑成本，托卡马克·球状托卡马克乐观估计在当前技术下就能让输出电力等于输入，但那还不算能源：

要求装置能够产生足够的热让自己的核反应继续下去，按照目前的实际情况，对磁约束来说需要Q达到5~8，对惯性约束来说要求Q达到50~100。
商用的话，考虑到成本，对磁约束来说需要Q达到22以上，你再考虑到装置本身的土建成本、使用寿命和拆解处理费，可能需要Q达到30以上。

理想的托卡马克装置对温度、真空度、超导、内壁辐射吸收的要求经常超过现代材料科学的能力范围，这方面还需要研究。但一般考虑，让它发出电来并不需要全面满足条件。当然，你要追求长时间安全运转的话，就连支撑超导磁体的材料都是个问题：在工作状态下的受力条件、启动和关机的瞬间的应力变化、出现异常时的受力、辐射造成的材料劣化都可能导致意外。

惯性约束方面，激光聚变、粒子束聚变、重离子聚变更适合不可控核爆，在现代激光器能量效率约1%的情况下，无法期待低燃料量时的输出。以美国国家点火装置的直径2~3mm的燃料球来讲，商业发电的话每天要打爆100万个，每个的价值超过50美分就不如烧煤，而且激光器以1%的效率打个几百发就需要更换零件，实用设计至少要以10%~30%的效率打一亿发。该装置在2013年进行的点火试验达到了Q=0.0077，可真高哦。这在当前技术水平下无法处理。其余方式的进度更慢。不过，这方面的成果已经在核武器设计、民用发动机设计等领域用上了。这方面的难点不是核聚变，而是现在的激光器的性能。

如果你宽容一点，核爆锅炉也视为惯性约束，那技术上其实已经可以做了，阻拦它的是国际局势。

混合约束方面，冲击波磁化靶标核聚变目前还缺乏实验，但有一个100MW级反应堆的设计，用液态金属传递冲击波来避免反应堆自毁。其余方式的进度更慢。2019年11月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室进行了一项等离子体线性实验，也是混合约束，目前没发现拿来当核弹以外的好处。

在即将完成的托卡马克装置里，国际热核聚变实验反应堆（ITER）目前已经动工，预计于2025年开始等离子体实验，2035年开始进行全氘-氚聚变实验。它的设计目的是输出500MW/输入50MW，Q=10，长脉冲持续400-600秒，等离子体超过10亿摄氏度。ITER不会接入任何发电设备，人类将用它验证氚增殖并完善中子屏蔽/热转换技术（氘-氚聚变反应的大部分能量是以快中子的形式释放，并不容易利用）。在新冠病毒影响下，ITER的建成时间可能推迟。

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