寄 语

恒星在浩瀚深空阒然爇爇，绽放璀璨辉光，点缀摇曳生姿的银河

谨以此书，献给每一位探索核聚变的先行者

第一章 金 乌

- 封面

诗词引用

金乌海底初飞来，朱辉散射青霞开。——唐 · 韩愈《李花赠张十一署》

导语

群星环绕的巨轮悬于苍穹，流光闪熠

它是广袤宇宙的璀璨明灯，播撒智慧与希望

时光潺潺，岁月流淌，镌刻着生命的延续

【朝夕轮转，镇守长空】

- 太阳的力量

太阳，温和的G2V型主序星，在银河系猎户臂内侧，距离我们约2.7万光年。它的质量占太阳系总质量的99.86%，半径是地球半径的109倍。

46亿年来，太阳稳定地将氢核聚变成氦，每秒产生约3.846×1026W的能量，核心温度高达1500万摄氏度，密度达150克/立方厘米。

在这样极端的物理条件下，氢核聚变反应稳定进行，每秒约有6亿吨氢原子核融合成氦，以伽马射线向外传播。经过数万公里的能量传递和转换，最后以可见光的形式从太阳表面射向空间，维持了地球稳定的温室效应。

太阳持续的光照支持了地球大气层的存在，为地球上的光合作用提供了能量，也保证了地表环境温度适宜生物生存——太阳的光和热构筑了地球的气候系统和生命圈。

太阳巨大的力量不仅维持生命，也能改变生态环境。当太阳黑子活跃时，会产生强烈的磁场涡旋，造成高能粒子喷发，引发磁场和电离层扰动。严重的太阳风暴会在数小时内产生全球范围电网和通信中断，对现代社会造成重大影响。

- 文明对太阳的认知

在人类文明的漫长历史长河中，太阳崇拜一直占有重要位置，古埃及文明中，太阳视为创世主拉的化身；古印加人将太阳看作最高神印蒂的后裔；古日本神道教中，天照大神作为天之御中主神和太阳女神受到膜拜；在古希腊和古罗马文明中，阿波罗和赫利俄斯被尊为太阳神；阿兹特克文明中，人们热切地向太阳献祭，以求得太阳神的眷顾。

在中国古代，我们的先民也通过丰富的想象探索太阳的奥秘，甲骨文中的“日”字描绘了日中一线的太阳形象，寓意太阳表面的黑子。东汉学者张衡在《灵宪经》中提到“日者，阳精之宗，积而成乌象，乌有三趾。阳之类，其数奇。”

所谓“积而成乌象”，说的便是太阳中的阴影，也就是现代科学所讲的黑子。更令人惊叹的是,中国古代天文学家还精确记录下了早期的太阳黑子活动，如《汉书·五行志》保留着现今公认最早的有明确日期的太阳黑子记录。

中国古籍中还流传着太阳被乌鸦载着飞行的美丽想象，如《山海经·大荒东经》描绘“汤谷上有扶木，一日方至，一日方出，皆载于乌”的景象。许多古代壁画和图画留存下了这种“日乌负日”的构思。

第二章 扶 光

- 封面

诗词引用

擅扶光于东沼，嗣若英于西冥。——南北朝·谢庄《月赋》

导语

太阳用光明照亮了我们的世界

它在亿万光阴中注入生命的律动，温暖着万物的生息

见证了人类从蛮荒到文明的漫长旅途

[矢志不渝，始终如一]

- 核聚变：太阳光的源头

太阳光和热量是如何产生的呢？答案就在太阳内部进行的一种被称为“核聚变”的过程：

太阳内部的温度和压力极高，足以使氢原子核（质子）克服它们之间的电磁斥力，使它们接近到足够的距离以进行强力相互作用，这个过程被称为“质子-质子链反应”，是太阳能量产生的主要途径。

在质子-质子链反应中，两个氢原子核（质子）首先结合形成一个重氢原子核（一个质子和一个中子），同时释放出一个正电子和一个中微子。然后，重氢与另一个质子结合形成一个氦-3原子核（两个质子和一个中子），同时释放出一个伽马射线光子。最后，两个氦-3原子核结合形成一个氦-4原子核（两个质子和两个中子），同时释放出两个质子，这些质子可以再次参与反应，形成更多的重氢。

在上述反应过程中，最终产物氦-4原子核的质量小于其构成部分（四个质子）的总质量，这个“丢失”的质量实际上被转化为能量，这是由著名的爱因斯坦质能方程E=mc²描述的。

其中E是能量，m是质量差，c是光速。这种转化产生的能量主要以伽马射线光子的形式释放出来，这些光子在太阳内部被吸收和重新发射，经历数百万年才能到达太阳表面并以可见光和其他形式的辐射向外发射。

同时，核聚变过程也会产生大量的中微子。与光子不同，中微子几乎不与物质相互作用，所以它们几乎立即就能离开太阳并向宇宙空间传播。

当太阳光从太阳表面发射出来后，需要经过约1.496×108公里（约9300万英里）才能到达地球，这个过程通常需要大约8分20秒。

- 太阳光的组成

太阳所发出的光线由多种不同波长的电磁波组成，分为可见光、紫外线和红外线等几个部分。现已证实白色的太阳光，由可见光及看不见的紫外线、X射线、α、β、γ 红外线、微波及无线电波所构成。

紫外线：波长在10-400纳米之间的电磁波，紫外线具有很高的能量，可以穿透空气和水，但会被臭氧层和云层等物质吸收或反射。紫外线一方面可以促进维生素D的合成，增强免疫力，另一方面也可以造成皮肤晒伤、癌变和眼睛损伤等。

红外线：波长在760纳米以上的电磁波，也称为热辐射。红外线具有很强的穿透力和加热作用，可以通过空气和云层到达地面，但会被温室气体如二氧化碳和水蒸气等吸收或反射。红外线对生物有温暖和舒适的效果，也可以用于医疗和军事等领域。

可见光：波长在400-760纳米之间的电磁波，是人类能够感知的光线。可见光包括红、橙、黄、绿、青、蓝和紫七种颜色，它们在空气中以不同的速度传播，在遇到水滴或棱镜时会发生折射和分散，形成彩虹等现象。可见光是植物进行光合作用的主要能源，也是人类获取信息和美感的重要途径。

其他类型：除了上述三种主要类型外，太阳光还包括一些其他类型的电磁波，如X射线、γ射线、微波和无线电波等。这些电磁波通常具有很高或很低的能量和频率，对地球表面的影响较小，但对太空探测和通讯等方面有重要作用。

- 太阳光如何进入地球

不是所有太阳光都能直接到达地球表面，部分光线会被地球大气层和地表反射、吸收或散射。

大气层是包围地球的一层气体，能保护地球免受有害辐射和陨石的伤害。大气层由不同密度、温度和成分的层组成，我们生活的最低层称为对流层，在对流层之上是平流层、中间层、电离层和外层。

大气以多种方式影响太阳的光线，例如：

反射，一些太阳光被大气中的云、尘埃颗粒、冰晶或水滴反射回太空，这减少了到达地球表面的太阳能量。反射还会产生一些美丽的现象，例如彩虹和光晕。

吸收，一些太阳光被大气中的分子吸收，例如臭氧、二氧化碳、水蒸气和氧气，这会增加大气温度并减少到达地球表面的太阳能量。吸收还可以过滤掉一些来自太阳的有害辐射，例如会损害DNA并导致皮肤癌的紫外线。

散射，一些太阳光被大气中的颗粒偏转或分散，例如灰尘、烟雾、污染物或空气分子，这会改变太阳光的方向和颜色，散射还创造了一些美丽的现象，例如蓝色的天空和红色的日落。

第三章 盛 灭

- 封面

诗词引用

万物所异者，生也；万物所同者，死也。——《列子·杨朱》

方生方死，方死方生。——《庄子·齐物论》

导语

它从宇宙的混沌中诞生，燃烧着煌煌炽焰

光耀碧落方仪，热沁翠微沧渊

守候着文明的历程，留下不朽的馈赠

[恒久绽放，直至终焉]

- 太阳的形成

根据星际云假说，太阳和太阳系中的所有行星，都是由一个巨大的分子云团形成的，这个分子云团主要由氢、氦等轻元素组成，还含有一些重元素和尘埃粒子。它的直径大约有几光年，质量大约相当于10万颗太阳。

大约在46亿年前，这个分子云团受到了某种扰动。可能是一颗附近恒星的超新星爆发或者引力不稳定性，导致它开始坍缩。在坍缩过程中，分子云团由于角动量守恒而开始旋转，并且由于磁场效应而分裂成许多小块。每一小块都继续坍缩和旋转，形成了一个个旋转盘状的原行星盘，其中一个原行星盘就是我们太阳系的前身。

在这个原行星盘中心，物质最密集、温度最高、引力最强，随着物质不断向中心流入，中心区域逐渐形成了一个高温、高密度、高压的球状体，这就是太阳的雏形——原恒星。原恒星并没有发生核反应，而是依靠引力塌缩释放出能量来维持平衡，这个阶段持续了大约100万年。

当原恒星核心的温度达到了1500万摄氏度时，氢核聚变反应开始启动，这个反应产生的能量足以抵抗引力塌缩，并使原恒星稳定下来，从此，太阳进入了主序星阶段。

- 主序星阶段

主序星阶段是太阳的生命历程中最长的阶段，也是最稳定的阶段。

在这个阶段，太阳的能量主要来自核心的氢核聚变反应，太阳的核心温度保持在1500万摄氏度左右，而表面温度保持在5500摄氏度左右。太阳的主序星阶段已经持续了约46亿年，预计还将持续约60亿年。

太阳的主序星阶段也不是完全平衡的，随着核心的氢燃料逐渐消耗，核心会缓慢收缩，温度会缓慢升高，反应速率会缓慢增加，这会导致太阳的亮度缓慢增加，大约每10亿年增加10%。

这意味着地球上的温室效应会逐渐增强，水蒸气会逐渐丧失，地表温度会逐渐升高。据估计，在大约15亿年后，地球将变成一个类似于金星的高温、无水、无生命的行星。

- 主序星之后的演化

当太阳的核心氢燃料耗尽时，太阳就会变成一个红巨星，红巨星是一种半径巨大、表面温度低、颜色偏红的恒星，它们的半径可以达到几百倍甚至几千倍于太阳，而表面温度可以降低到3000摄氏度以下。

当太阳变成红巨星时，它的半径将扩张到地球的轨道之外。这意味着地球和其他内行星将被吞噬或者蒸发掉。即使地球能够幸存下来，它也会被强烈的恒星风吹走大部分大气和岩石，太阳系中只有木星和更外层的行星才有可能保持完整。

在红巨星阶段的末期，太阳将失去大约一半的质量，这些质量以恒星风、行星状星云或者壳层爆发等形式抛射出去，形成了一层美丽而复杂的气体和尘埃环绕着白矮星的核心，这就是行星状星云。

- 太阳的死亡

白矮星是恒星演化的终点之一，当太阳变成红巨星并失去外层质量后，它的核心将变成一个白矮星，这个白矮星主要由碳和氧组成，没有任何核反应发生，它只是依靠残留的热能来发光，并逐渐冷却和暗淡，逐步失去熵，直到达到热力学平衡。太阳系中的其他行星也可能会发生一些变化，比如轨道不稳定、相互碰撞、被其他恒星搅扰等。

当太阳的温度降低到与宇宙微波背景辐射相同时，它将不再可见，而只能通过引力来探测。这时，太阳将变成一个黑矮星，黑矮星是一种理论上存在的天体，它们是冷却到极限的白矮星，没有任何光和热。 目前还没有观测到任何黑矮星，因为宇宙还没有足够老。

根据质子衰变假说，质子可能有一个非常长的寿命，大约是1035年，如果质子真的会衰变，那么太阳和其他所有物质都将最终分解为基本粒子和辐射，这就是物理学家所说的大撕裂。

从原恒星到主序星，从红巨星到白矮星，再到黑矮星或者大撕裂，太阳的生命历程展示了宇宙中物质和能量的转化和演化，也提醒着我们，在浩瀚的宇宙长河中，地球和人类只是短暂的过客。

第四章 逐 日

- 封面

诗词引用

夸父诞宏志，乃与日竞走。——陶渊明《读山海经十三首·其九》

导语

浩瀚星海漫漫时空，熵增导向寂静的虚无

万物盛开又凋零，恒星亦有湮灭之日

但生命的乐章不会中止，因为好奇心迸发的火花永不熄灭

[文明的灯塔将超越时空继续闪亮]

- “人造太阳”：点亮未来的能源梦想

面对太阳的有限寿命，人类并未止步不前。当太阳熄灭之时，我们终将以自己的智慧和毅力照亮黑暗，用“人造太阳”将生命和文明推向更辉煌的未来。

什么是“人造太阳”和可控热核聚变？

你是否曾经想过，如果我们能够在地球上制造出一个像太阳一样的能源，那么我们将会拥有多么强大的能源呢？这个能源就是我们所说的“人造太阳”，它是利用可控热核聚变技术来实现的。

可控热核聚变是指在高温高压的条件下，让轻元素（如氢）的原子核相互碰撞、融合成重元素（如氦），从而释放出巨大的能量的过程，这个过程就是太阳和恒星发光发热的原理，也是氢弹爆炸的原理。

不过，氢弹是一种不可控的核聚变，它会造成灾难性的后果，而可控热核聚变则是一种可控制、可持续、安全、清洁的能源技术，它不会产生放射性废物，也不会引起核泄漏或核爆炸，它只需要很少量的原料（如重水或锂），就可以产生巨大的能量。据估计，1升重水中含有的氘元素，经过核聚变反应后，可以产生相当于300升汽油的能量。

那么，“人造太阳”是怎样制造出来的呢？要回答这个问题，我们就要先了解一下“人造太阳”的主要部件——托卡马克装置。托卡马克这个词是由俄语“тороидальная камера с магнитными катушками”（意为“环形磁场室”）的首字母缩写而来的。

托卡马克装置是一种用来实现可控热核聚变反应的装置，它的原理是利用强磁场来约束高温等离子体，让它们在一个环形的真空容器中运动，从而达到核聚变所需的温度、密度和时间等条件，这个过程就像是在地球上模拟太阳的内部环境，所以托卡马克装置也被称为“人造太阳”。

如果你还不太明白，那么让我们用一些生动的比喻来帮助你理解：高温等离子体就像是一群疯狂的蜜蜂，它们不断地飞来飞去，撞击彼此，释放出能量，为了让它们更容易碰撞，我们需要把它们关在一个小小的空间里，让它们更加密集。

强磁场就像是一条巨大的蛇，它把高温等离子体紧紧地缠绕在一起，不让它们逃跑，为了让它们更加稳定，我们需要调节蛇的力度和形状，让它们更加匀称。

环形真空容器就像是一个坚固的蜂箱，它可以保护高温等离子体免受外界的干扰，为了让它们更加安全，我们需要清除蜂箱里的杂质和气体，让它们更加纯净。

热核聚变研究历程及我国主要的进展

可控核聚变的研究历史悠久而引人入胜。它始于20世纪初，当时科学家们试图了解恒星如何为自己提供动力。1920年，基于F.W.阿斯顿对低质量元素质量的测量和爱因斯坦发现的E=mc²，阿瑟•爱丁顿提出将小核融合在一起释放大量能量是恒星能源的理论。1928年，乔治•伽莫夫介绍了量子隧道的数学基础。1929年，阿特金森和霍特曼斯提供了恒星中核聚变速率的首次计算。基于伽莫夫的隧道效应，他们显示融合可以在比先前认为的更低的能量下发生。

1932年，剑桥大学卡文迪许实验室的欧内斯特•卢瑟福开始使用由约翰•科克罗夫特和欧内斯特•沃尔顿建造的粒子加速器进行核实验。4月，沃尔顿用加速器中的质子将锂分裂成α粒子，产生了第一个人造裂变。使用更新版本的设备发射氘而不是氢，马克•奥利凡特发现了氦-3和氚，并且重氢核可以相互反应。这是实验室中第一次直接证明融合。

1938年，NACA Langley研究中心的Kantrowitz和Jacobs建造了一个环形磁瓶，并用150 W无线电源加热等离子体。希望将等离子体加热到数百万度，系统失败，他们被迫放弃扩散抑制剂。这是制造工作融合反应堆的第一次尝试。

1950年，苏联科学家安德烈•萨哈罗夫和伊戈尔•塔姆提出了托卡马克（一种磁约束聚变装置）。1951年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的爱德华•泰勒和斯坦尼斯拉夫•乌拉姆开发了泰勒-乌拉姆设计用于热核武器，从而开发出多兆吨级武器。

自21世纪初以来，可控核聚变技术取得了突飞猛进的发展，我国在这一领域也展现了强大的创新能力和实力，我国自主设计并建造了多台托卡马克装置，如HL-1、HL-1M、HL-2A、HL-2M等，并在其中进行了大量的物理实验和技术验证。其中，最新一代的“人造太阳”（HL-2M）装置是目前规模最大、参数最高的托卡马克装置。

以下是我国核聚变研究的一些重要里程碑：

2017年，7月3日晚，中国“EAST”试验堆实现101.2秒稳态高约束等离子体稳定运行，创造长脉冲H型运行世界纪录。

2020年，中国HL-2M核聚变实验堆首次启动，实现首次等离子体放电。

2021年，中国“EAST”创造过热等离子体新世界纪录，温度维持在1.2亿摄氏度101秒，峰值1.6亿摄氏度持续20秒。

2022年，中国“EAST”实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。

2023年，中国“EAST”成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。

第五章 尾 声

黑暗的星海中，我们追逐光明的踪迹

无垠的宇宙中，我们铸造永恒的奇迹

“人造太阳”照亮了时光的隧道

赋予我们探索的力量，延续文明前往未知的远方

[生命之火与世推移，绵绵不息]

尾声

来源: 中国科普作家协会

内容资源由项目单位提供