最近，新一代人造太陽(yáng)「中國(guó)環(huán)流三號(hào)」突破「雙億度」。 那問題來了，太陽(yáng)內(nèi)核1500萬℃就能氫聚變，為什么可控核聚變需要雙1億℃以上？
當(dāng)不考慮其它條件，理想氣體的動(dòng)能和溫度符合以下公式：
- E為分子平均動(dòng)能，k為玻爾茲曼常數(shù)（1.380649 × 10^-23 J/K），T為熱力學(xué)溫度。
這意味著在同樣的一個(gè)加熱體系中，原子核和電子的溫度應(yīng)該是一樣的。
但為什么這一次，原子核溫度是1.17億度，電子溫度是1.6億度，不一樣呢？
主要由托卡馬克等離子體加熱的特殊性所決定。
溫度足夠高，氫核碰撞的能量足夠高才能打破強(qiáng)相互作用力，從而發(fā)生聚變。
約束足夠高，氫核密度足夠的大，才能增加碰撞概率，提升反應(yīng)速率。
太陽(yáng)內(nèi)核壓強(qiáng)高達(dá)2500億個(gè)大氣壓，氫可以在1500萬℃條件下持續(xù)聚變。
如果你無法提供這么高的壓強(qiáng)，就只能退而求其次，提高溫度。
典型托卡馬克等離子體壓強(qiáng)大約為200-300kPa，也即2~3個(gè)大氣壓。
理想條件下，托卡馬克裝置內(nèi)部的聚變材料反應(yīng)速率如下：
反應(yīng)速率（縱）隨溫度（橫）的變化
可以看出，氘氚（D-T）聚變是最容易實(shí)現(xiàn)的：
氘氚（D-T）大約在1000萬℃就會(huì)開始反應(yīng)，氘氘（D-D）需要2000萬℃，氘氦3（D-3He）需要5000萬℃。
而且，2億℃附近，氘氚與其它材料具有最大的反應(yīng)速率差距。一直到10億℃附近，氘氚的反應(yīng)速率都有顯著的優(yōu)勢(shì)。
- 之所以溫度超過10億℃，反應(yīng)速率反而降低了，是因?yàn)闇囟仍礁叻磻?yīng)截面（粒子發(fā)生相互作用的有效碰撞面積或概率）反而更小。
雖然超過2000萬℃氘氘和氘氚聚變都足以發(fā)生，但溫度太低時(shí)反應(yīng)速率過低，1億℃以上一般認(rèn)為是氘氚反應(yīng)堆可行的最低溫度。而氘氦3需要10億℃，氘氘更是需要100億℃。
所以，現(xiàn)在的托卡馬克裝置基本都是以實(shí)現(xiàn)氘氚聚變?yōu)槟康?。之所以?億℃作為重大突破，便是因?yàn)檫_(dá)到了聚變堆門檻。
由于氚具有放射性，所以為了安全考慮，常規(guī)托卡馬克實(shí)驗(yàn)一般使用的是氘氘（D-D）聚變。
因?yàn)樵缙趯?shí)驗(yàn)主要是磁約束的掌握和技術(shù)提升，并不一定需要發(fā)生聚變，所以可以用氘氘（D-D）替代氘氚（D-T）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
顯然，為了使聚變發(fā)生，我們的最終目的是提升氫核的溫度。
「中國(guó)環(huán)流三號(hào)」本次實(shí)驗(yàn)的具體氫同位素構(gòu)成，沒有公布。
質(zhì)子質(zhì)量為：1.672621637（83）×10^-27kg 中子質(zhì)量為：1.674927211（84）×10^-27kg 電子質(zhì)量為：9.10938215（45）×10^-31kg
我們姑且按照氘氘（D-D）聚變來看。
氘核大約是電子質(zhì)量的3675倍。
等離子體加熱，主要為電子回旋共振加熱（ECRH）、中性束注入（NBI）等。
簡(jiǎn)而言之，前者是先加熱電子，然后用電子碰撞加熱等離子體。后者是直接加熱氫核，再中性化，再注入碰撞加熱等離子體。
這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：
電子回旋共振加熱（ECRH）穿透強(qiáng)，總（能量）效率高，可達(dá)60%。
但由于氫核質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子，發(fā)生理想彈性碰撞時(shí)，依據(jù)基本的動(dòng)量、動(dòng)能守恒，氫核每次碰撞分配得到的動(dòng)能會(huì)比電子低得多。
雖然時(shí)間足夠的久，最終平均動(dòng)能都會(huì)相同。但我們磁約束持續(xù)的時(shí)間有限，在氫核尚未被電子充分加熱，約束就結(jié)束了。
中性束注入（NBI）雖然可以高效率地加熱氫核，但也有缺點(diǎn)，其穿透能力有限，且總效率比較低，通常40%。
所以，在實(shí)際的加熱過程，電子回旋共振加熱（ECRH）和中性束注入（NBI）是同時(shí)使用，二者互補(bǔ)的。
中性束注入（NBI）實(shí)現(xiàn)等離子體的整體加熱和電流驅(qū)動(dòng)，電子回旋共振加熱（ECRH）則進(jìn)行精準(zhǔn)的局部調(diào)控。
無論考慮到碰撞動(dòng)能轉(zhuǎn)換，還是輸入電能的總效率，電子在整個(gè)系統(tǒng)中都會(huì)升溫更快。
“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”的原子核溫度達(dá)到1.17億度，電子溫度達(dá)到1.6億度，具有多個(gè)角度的意義。
首先是原子核超過1億℃，直接達(dá)到了聚變反應(yīng)堆門檻。
其次是電子溫度達(dá)到1.6億℃，意味著整個(gè)裝置已初步具備把等離子體整體加熱到這個(gè)溫度的條件，逼近2億℃的更高反應(yīng)門檻。
雙億度也反應(yīng)了裝置加熱效率，整體調(diào)控，以及高溫磁約束上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
總之，可控核聚變的關(guān)鍵是離子約束密度、約束溫度，以及約束持續(xù)時(shí)間。
所以，未來的重點(diǎn)，依舊主要在于溫度和持續(xù)時(shí)間的提升。
原子核2億℃，以及1億℃持續(xù)20分鐘以上的長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)約束已經(jīng)不遠(yuǎn)。
中國(guó)可控核聚變技術(shù)一直都在穩(wěn)步推進(jìn)。
數(shù)年后的工程堆條件已初步具備條件，問題不大。
至于原型電站的實(shí)現(xiàn)時(shí)間，需要看工程堆所能達(dá)到的具體Q值（聚變?cè)鲆妫a(chǎn)出/消耗）。
考慮到裝置的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和損耗，往往需要Q值大于2，才做到正效益。
再加上整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)、電站系統(tǒng)的損耗，往往需要Q值大于5。
要讓核聚變電能足夠的廉價(jià)，大于5遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要大于10，甚至大于30。
目前全球所有托卡馬克裝置，Q值很少大于1，主要便在于溫度和約束時(shí)間的限制。
中國(guó)在這方面一直穩(wěn)扎穩(wěn)打，未來的工程堆實(shí)現(xiàn)Q大于1～5應(yīng)該會(huì)比較快。
Q大于10必然會(huì)有諸多未知的挑戰(zhàn)，但相信一定能一步步的解決。
所謂，千里之行，積于跬步。前期各種技術(shù)的積累，是未來實(shí)現(xiàn)聚變工業(yè)的必要條件。
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