寄 語

恒星在浩瀚深空闃然爇爇，綻放璀璨輝光，點綴搖曳生姿的銀河

謹以此書，獻給每一位探索核聚變的先行者

第一章 金 烏

- 封面

詩詞引用

金烏海底初飛來，朱輝散射青霞開。——唐 · 韓愈《李花贈張十一署》

導語

群星環繞的巨輪懸于蒼穹，流光閃熠

它是廣袤宇宙的璀璨明燈，播撒智慧與希望

時光潺潺，歲月流淌，鐫刻著生命的延續

【朝夕輪轉，鎮守長空】

- 太陽的力量

太陽，溫和的G2V型主序星，在銀河系獵戶臂內側，距離我們約2.7萬光年。它的質量占太陽系總質量的99.86%，半徑是地球半徑的109倍。

46億年來，太陽穩定地將氫核聚變成氦，每秒產生約3.846×1026W的能量，核心溫度高達1500萬攝氏度，密度達150克/立方厘米。

在這樣極端的物理條件下，氫核聚變反應穩定進行，每秒約有6億噸氫原子核融合成氦，以伽馬射線向外傳播。經過數萬公里的能量傳遞和轉換，最后以可見光的形式從太陽表面射向空間，維持了地球穩定的溫室效應。

太陽持續的光照支持了地球大氣層的存在，為地球上的光合作用提供了能量，也保證了地表環境溫度適宜生物生存——太陽的光和熱構筑了地球的氣候系統和生命圈。

太陽巨大的力量不僅維持生命，也能改變生態環境。當太陽黑子活躍時，會產生強烈的磁場渦旋，造成高能粒子噴發，引發磁場和電離層擾動。嚴重的太陽風暴會在數小時內產生全球范圍電網和通信中斷，對現代社會造成重大影響。

- 文明對太陽的認知

在人類文明的漫長歷史長河中，太陽崇拜一直占有重要位置，古埃及文明中，太陽視為創世主拉的化身；古印加人將太陽看作最高神印蒂的后裔；古日本神道教中，天照大神作為天之御中主神和太陽女神受到膜拜；在古希臘和古羅馬文明中，阿波羅和赫利俄斯被尊為太陽神；阿茲特克文明中，人們熱切地向太陽獻祭，以求得太陽神的眷顧。

在中國古代，我們的先民也通過豐富的想象探索太陽的奧秘，甲骨文中的“日”字描繪了日中一線的太陽形象，寓意太陽表面的黑子。東漢學者張衡在《靈憲經》中提到“日者，陽精之宗，積而成烏象，烏有三趾。陽之類，其數奇。”

所謂“積而成烏象”，說的便是太陽中的陰影，也就是現代科學所講的黑子。更令人驚嘆的是,中國古代天文學家還精確記錄下了早期的太陽黑子活動，如《漢書·五行志》保留著現今公認最早的有明確日期的太陽黑子記錄。

中國古籍中還流傳著太陽被烏鴉載著飛行的美麗想象，如《山海經·大荒東經》描繪“湯谷上有扶木，一日方至，一日方出，皆載于烏”的景象。許多古代壁畫和圖畫留存下了這種“日烏負日”的構思。

第二章 扶 光

- 封面

詩詞引用

擅扶光于東沼，嗣若英于西冥。——南北朝·謝莊《月賦》

導語

太陽用光明照亮了我們的世界

它在億萬光陰中注入生命的律動，溫暖著萬物的生息

見證了人類從蠻荒到文明的漫長旅途

[矢志不渝，始終如一]

- 核聚變：太陽光的源頭

太陽光和熱量是如何產生的呢？答案就在太陽內部進行的一種被稱為“核聚變”的過程：

太陽內部的溫度和壓力極高，足以使氫原子核（質子）克服它們之間的電磁斥力，使它們接近到足夠的距離以進行強力相互作用，這個過程被稱為“質子-質子鏈反應”，是太陽能量產生的主要途徑。

在質子-質子鏈反應中，兩個氫原子核（質子）首先結合形成一個重氫原子核（一個質子和一個中子），同時釋放出一個正電子和一個中微子。然后，重氫與另一個質子結合形成一個氦-3原子核（兩個質子和一個中子），同時釋放出一個伽馬射線光子。最后，兩個氦-3原子核結合形成一個氦-4原子核（兩個質子和兩個中子），同時釋放出兩個質子，這些質子可以再次參與反應，形成更多的重氫。

在上述反應過程中，最終產物氦-4原子核的質量小于其構成部分（四個質子）的總質量，這個“丟失”的質量實際上被轉化為能量，這是由著名的愛因斯坦質能方程E=mc2描述的。

其中E是能量，m是質量差，c是光速。這種轉化產生的能量主要以伽馬射線光子的形式釋放出來，這些光子在太陽內部被吸收和重新發射，經歷數百萬年才能到達太陽表面并以可見光和其他形式的輻射向外發射。

同時，核聚變過程也會產生大量的中微子。與光子不同，中微子幾乎不與物質相互作用，所以它們幾乎立即就能離開太陽并向宇宙空間傳播。

當太陽光從太陽表面發射出來后，需要經過約1.496×108公里（約9300萬英里）才能到達地球，這個過程通常需要大約8分20秒。

- 太陽光的組成

太陽所發出的光線由多種不同波長的電磁波組成，分為可見光、紫外線和紅外線等幾個部分。現已證實白色的太陽光，由可見光及看不見的紫外線、X射線、α、β、γ 紅外線、微波及無線電波所構成。

紫外線：波長在10-400納米之間的電磁波，紫外線具有很高的能量，可以穿透空氣和水，但會被臭氧層和云層等物質吸收或反射。紫外線一方面可以促進維生素D的合成，增強免疫力，另一方面也可以造成皮膚曬傷、癌變和眼睛損傷等。

紅外線：波長在760納米以上的電磁波，也稱為熱輻射。紅外線具有很強的穿透力和加熱作用，可以通過空氣和云層到達地面，但會被溫室氣體如二氧化碳和水蒸氣等吸收或反射。紅外線對生物有溫暖和舒適的效果，也可以用于醫療和軍事等領域。

可見光：波長在400-760納米之間的電磁波，是人類能夠感知的光線。可見光包括紅、橙、黃、綠、青、藍和紫七種顏色，它們在空氣中以不同的速度傳播，在遇到水滴或棱鏡時會發生折射和分散，形成彩虹等現象。可見光是植物進行光合作用的主要能源，也是人類獲取信息和美感的重要途徑。

其他類型：除了上述三種主要類型外，太陽光還包括一些其他類型的電磁波，如X射線、γ射線、微波和無線電波等。這些電磁波通常具有很高或很低的能量和頻率，對地球表面的影響較小，但對太空探測和通訊等方面有重要作用。

- 太陽光如何進入地球

不是所有太陽光都能直接到達地球表面，部分光線會被地球大氣層和地表反射、吸收或散射。

大氣層是包圍地球的一層氣體，能保護地球免受有害輻射和隕石的傷害。大氣層由不同密度、溫度和成分的層組成，我們生活的最低層稱為對流層，在對流層之上是平流層、中間層、電離層和外層。

大氣以多種方式影響太陽的光線，例如：

反射，一些太陽光被大氣中的云、塵埃顆粒、冰晶或水滴反射回太空，這減少了到達地球表面的太陽能量。反射還會產生一些美麗的現象，例如彩虹和光暈。

吸收，一些太陽光被大氣中的分子吸收，例如臭氧、二氧化碳、水蒸氣和氧氣，這會增加大氣溫度并減少到達地球表面的太陽能量。吸收還可以過濾掉一些來自太陽的有害輻射，例如會損害DNA并導致皮膚癌的紫外線。

散射，一些太陽光被大氣中的顆粒偏轉或分散，例如灰塵、煙霧、污染物或空氣分子，這會改變太陽光的方向和顏色，散射還創造了一些美麗的現象，例如藍色的天空和紅色的日落。

第三章 盛 滅

- 封面

詩詞引用

萬物所異者，生也；萬物所同者，死也。——《列子·楊朱》

方生方死，方死方生。——《莊子·齊物論》

導語

它從宇宙的混沌中誕生，燃燒著煌煌熾焰

光耀碧落方儀，熱沁翠微滄淵

守候著文明的歷程，留下不朽的饋贈

[恒久綻放，直至終焉]

- 太陽的形成

根據星際云假說，太陽和太陽系中的所有行星，都是由一個巨大的分子云團形成的，這個分子云團主要由氫、氦等輕元素組成，還含有一些重元素和塵埃粒子。它的直徑大約有幾光年，質量大約相當于10萬顆太陽。

大約在46億年前，這個分子云團受到了某種擾動。可能是一顆附近恒星的超新星爆發或者引力不穩定性，導致它開始坍縮。在坍縮過程中，分子云團由于角動量守恒而開始旋轉，并且由于磁場效應而分裂成許多小塊。每一小塊都繼續坍縮和旋轉，形成了一個個旋轉盤狀的原行星盤，其中一個原行星盤就是我們太陽系的前身。

在這個原行星盤中心，物質最密集、溫度最高、引力最強，隨著物質不斷向中心流入，中心區域逐漸形成了一個高溫、高密度、高壓的球狀體，這就是太陽的雛形——原恒星。原恒星并沒有發生核反應，而是依靠引力塌縮釋放出能量來維持平衡，這個階段持續了大約100萬年。

當原恒星核心的溫度達到了1500萬攝氏度時，氫核聚變反應開始啟動，這個反應產生的能量足以抵抗引力塌縮，并使原恒星穩定下來，從此，太陽進入了主序星階段。

- 主序星階段

主序星階段是太陽的生命歷程中最長的階段，也是最穩定的階段。

在這個階段，太陽的能量主要來自核心的氫核聚變反應，太陽的核心溫度保持在1500萬攝氏度左右，而表面溫度保持在5500攝氏度左右。太陽的主序星階段已經持續了約46億年，預計還將持續約60億年。

太陽的主序星階段也不是完全平衡的，隨著核心的氫燃料逐漸消耗，核心會緩慢收縮，溫度會緩慢升高，反應速率會緩慢增加，這會導致太陽的亮度緩慢增加，大約每10億年增加10%。

這意味著地球上的溫室效應會逐漸增強，水蒸氣會逐漸喪失，地表溫度會逐漸升高。據估計，在大約15億年后，地球將變成一個類似于金星的高溫、無水、無生命的行星。

- 主序星之后的演化

當太陽的核心氫燃料耗盡時，太陽就會變成一個紅巨星，紅巨星是一種半徑巨大、表面溫度低、顏色偏紅的恒星，它們的半徑可以達到幾百倍甚至幾千倍于太陽，而表面溫度可以降低到3000攝氏度以下。

當太陽變成紅巨星時，它的半徑將擴張到地球的軌道之外。這意味著地球和其他內行星將被吞噬或者蒸發掉。即使地球能夠幸存下來，它也會被強烈的恒星風吹走大部分大氣和巖石，太陽系中只有木星和更外層的行星才有可能保持完整。

在紅巨星階段的末期，太陽將失去大約一半的質量，這些質量以恒星風、行星狀星云或者殼層爆發等形式拋射出去，形成了一層美麗而復雜的氣體和塵埃環繞著白矮星的核心，這就是行星狀星云。

- 太陽的死亡

白矮星是恒星演化的終點之一，當太陽變成紅巨星并失去外層質量后，它的核心將變成一個白矮星，這個白矮星主要由碳和氧組成，沒有任何核反應發生，它只是依靠殘留的熱能來發光，并逐漸冷卻和暗淡，逐步失去熵，直到達到熱力學平衡。太陽系中的其他行星也可能會發生一些變化，比如軌道不穩定、相互碰撞、被其他恒星攪擾等。

當太陽的溫度降低到與宇宙微波背景輻射相同時，它將不再可見，而只能通過引力來探測。這時，太陽將變成一個黑矮星，黑矮星是一種理論上存在的天體，它們是冷卻到極限的白矮星，沒有任何光和熱。 目前還沒有觀測到任何黑矮星，因為宇宙還沒有足夠老。

根據質子衰變假說，質子可能有一個非常長的壽命，大約是1035年，如果質子真的會衰變，那么太陽和其他所有物質都將最終分解為基本粒子和輻射，這就是物理學家所說的大撕裂。

從原恒星到主序星，從紅巨星到白矮星，再到黑矮星或者大撕裂，太陽的生命歷程展示了宇宙中物質和能量的轉化和演化，也提醒著我們，在浩瀚的宇宙長河中，地球和人類只是短暫的過客。

第四章 逐 日

- 封面

詩詞引用

夸父誕宏志，乃與日競走。——陶淵明《讀山海經十三首·其九》

導語

浩瀚星海漫漫時空，熵增導向寂靜的虛無

萬物盛開又凋零，恒星亦有湮滅之日

但生命的樂章不會中止，因為好奇心迸發的火花永不熄滅

[文明的燈塔將超越時空繼續閃亮]

- “人造太陽”：點亮未來的能源夢想

面對太陽的有限壽命，人類并未止步不前。當太陽熄滅之時，我們終將以自己的智慧和毅力照亮黑暗，用“人造太陽”將生命和文明推向更輝煌的未來。

什么是“人造太陽”和可控熱核聚變？

你是否曾經想過，如果我們能夠在地球上制造出一個像太陽一樣的能源，那么我們將會擁有多么強大的能源呢？這個能源就是我們所說的“人造太陽”，它是利用可控熱核聚變技術來實現的。

可控熱核聚變是指在高溫高壓的條件下，讓輕元素（如氫）的原子核相互碰撞、融合成重元素（如氦），從而釋放出巨大的能量的過程，這個過程就是太陽和恒星發光發熱的原理，也是氫彈爆炸的原理。

不過，氫彈是一種不可控的核聚變，它會造成災難性的后果，而可控熱核聚變則是一種可控制、可持續、安全、清潔的能源技術，它不會產生放射性廢物，也不會引起核泄漏或核爆炸，它只需要很少量的原料（如重水或鋰），就可以產生巨大的能量。據估計，1升重水中含有的氘元素，經過核聚變反應后，可以產生相當于300升汽油的能量。

那么，“人造太陽”是怎樣制造出來的呢？要回答這個問題，我們就要先了解一下“人造太陽”的主要部件——托卡馬克裝置。托卡馬克這個詞是由俄語“тороидальная камера с магнитными катушками”（意為“環形磁場室”）的首字母縮寫而來的。

托卡馬克裝置是一種用來實現可控熱核聚變反應的裝置，它的原理是利用強磁場來約束高溫等離子體，讓它們在一個環形的真空容器中運動，從而達到核聚變所需的溫度、密度和時間等條件，這個過程就像是在地球上模擬太陽的內部環境，所以托卡馬克裝置也被稱為“人造太陽”。

如果你還不太明白，那么讓我們用一些生動的比喻來幫助你理解：高溫等離子體就像是一群瘋狂的蜜蜂，它們不斷地飛來飛去，撞擊彼此，釋放出能量，為了讓它們更容易碰撞，我們需要把它們關在一個小小的空間里，讓它們更加密集。

強磁場就像是一條巨大的蛇，它把高溫等離子體緊緊地纏繞在一起，不讓它們逃跑，為了讓它們更加穩定，我們需要調節蛇的力度和形狀，讓它們更加勻稱。

環形真空容器就像是一個堅固的蜂箱，它可以保護高溫等離子體免受外界的干擾，為了讓它們更加安全，我們需要清除蜂箱里的雜質和氣體，讓它們更加純凈。

熱核聚變研究歷程及我國主要的進展

可控核聚變的研究歷史悠久而引人入勝。它始于20世紀初，當時科學家們試圖了解恒星如何為自己提供動力。1920年，基于F.W.阿斯頓對低質量元素質量的測量和愛因斯坦發現的E=mc2，阿瑟?愛丁頓提出將小核融合在一起釋放大量能量是恒星能源的理論。1928年，喬治?伽莫夫介紹了量子隧道的數學基礎。1929年，阿特金森和霍特曼斯提供了恒星中核聚變速率的首次計算。基于伽莫夫的隧道效應，他們顯示融合可以在比先前認為的更低的能量下發生。

1932年，劍橋大學卡文迪許實驗室的歐內斯特?盧瑟福開始使用由約翰?科克羅夫特和歐內斯特?沃爾頓建造的粒子加速器進行核實驗。4月，沃爾頓用加速器中的質子將鋰分裂成α粒子，產生了第一個人造裂變。使用更新版本的設備發射氘而不是氫，馬克?奧利凡特發現了氦-3和氚，并且重氫核可以相互反應。這是實驗室中第一次直接證明融合。

1938年，NACA Langley研究中心的Kantrowitz和Jacobs建造了一個環形磁瓶，并用150 W無線電源加熱等離子體。希望將等離子體加熱到數百萬度，系統失敗，他們被迫放棄擴散抑制劑。這是制造工作融合反應堆的第一次嘗試。

1950年，蘇聯科學家安德烈?薩哈羅夫和伊戈爾?塔姆提出了托卡馬克（一種磁約束聚變裝置）。1951年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的愛德華?泰勒和斯坦尼斯拉夫?烏拉姆開發了泰勒-烏拉姆設計用于熱核武器，從而開發出多兆噸級武器。

自21世紀初以來，可控核聚變技術取得了突飛猛進的發展，我國在這一領域也展現了強大的創新能力和實力，我國自主設計并建造了多臺托卡馬克裝置，如HL-1、HL-1M、HL-2A、HL-2M等，并在其中進行了大量的物理實驗和技術驗證。其中，最新一代的“人造太陽”（HL-2M）裝置是目前規模最大、參數最高的托卡馬克裝置。

以下是我國核聚變研究的一些重要里程碑：

2017年，7月3日晚，中國“EAST”試驗堆實現101.2秒穩態高約束等離子體穩定運行，創造長脈沖H型運行世界紀錄。

2020年，中國HL-2M核聚變實驗堆首次啟動，實現首次等離子體放電。

2021年，中國“EAST”創造過熱等離子體新世界紀錄，溫度維持在1.2億攝氏度101秒，峰值1.6億攝氏度持續20秒。

2022年，中國“EAST”實現了1056秒的長脈沖高參數等離子體運行。

2023年，中國“EAST”成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒。

第五章 尾 聲

黑暗的星海中，我們追逐光明的蹤跡

無垠的宇宙中，我們鑄造永恒的奇跡

“人造太陽”照亮了時光的隧道

賦予我們探索的力量，延續文明前往未知的遠方

[生命之火與世推移，綿綿不息]

尾聲

來源: 中國科普作家協會

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