“人造小太阳”可控核聚变正面临着诸多技术瓶颈，借鉴太阳上粒子正交碰撞的核心机理与台风能量汇聚原理，人们可采用创新的正交碰撞装置设计思路。其装置可通过激光束在靶丸表层精准正交碰撞，实现能量密度最大化与能耗最小化，让犹如炮仗芯的氘氚燃料充分燃烧。综合现有的结构设计、核心技术与三步走工程化路径，有望突破现有路线局限，以更高能量增益加速 “人造阳光” 的商业化落地，为人类提供永续清洁能源。

一、人造小太阳的现有探索：两条主流路线的坚守与瓶颈

在清洁能源的终极探索中，人造小太阳（可控核聚变）被视为破解能源危机的 “圣杯”。其核心使命是复刻太阳上的热核反应 —— 在可控环境下让氘氚燃料发生聚变，将质量高效转化为能量。目前全球主流的技术路径分为两类，却都面临着能量损耗的核心难题。

磁约束核聚变是当前最成熟的路线，以托卡马克装置为代表。它像一个环形 “甜甜圈”，用强磁场构建 “磁笼子”，将高温等离子体约束在真空室中碰撞聚变。中国的东方超环（EAST）曾创下 1066 秒长脉冲运行纪录，国际热核聚变实验堆（ITER）更是剑指 “能量增益 Q>10” 的目标。其优势在于超导磁体运行能耗低，能稳定约束等离子体，但磁场约束的均匀性始终存在优化空间，燃料粒子碰撞的充分性受限于磁场形态。另一类磁约束装置 “仿星器” 虽运行更稳定，却因扭曲线圈的加工难度，工程化进展缓慢。

惯性约束核聚变则走了 “极速压缩” 的路线，美国国家点火装置（NIF）是其标杆。它用 192 束激光聚焦于胡椒粒大小的靶丸，通过间接驱动方式（激光先转化为 X 光再加热靶丸），在 2022 年首次实现能量净增益（输入 2.05 兆焦，输出 3.15 兆焦）。但这条路线的短板同样突出：激光从电网到靶丸的能量转换效率仅 1%，单次实验需消耗 300 兆焦电网电能；靶丸是一次性消耗品，且激光能量需经黑腔反射转化，大量能量耗散在环境中，难以实现连续运行。

两种路线的共同痛点是：能量输入巨大但利用率低。磁约束依赖磁场长时间维持高温高压，惯性约束依赖激光间接传递能量，都无法让燃料粒子在 “能量高度集中” 的环境下充分碰撞。而太阳的聚变效率之所以惊人，实际上是宇宙大爆炸的后续粒子矢量力形成了多方向的碰撞，尤其是正交碰撞，让质-能转化带来了极致能量密度 —— 这正是现有装置尚未触及的核心机理。这种矢量力就是感官认知的太阳中心引力。

二、正交碰撞理论：复刻太阳能量聚焦的核心逻辑

要突破现有瓶颈，我们需要回归太阳的聚变本质。太阳上的粒子并非单向运动，而是携带径向、法向等多方向的加速度，不同圈层、不同纬度以及不同尺度涡旋系统中的粒子相互碰撞，尤其是正交碰撞（即新粒子运动方向垂直于相交碰撞粒子的平面），能将质量高效转化为能量。这种碰撞就像台风的能量汇聚：台风周围的螺旋云雨带上气流从外围向中心辐合和正交碰撞，在台风中心附近形成极高的能量密度，催生狂风暴雨式的能量密度 [1]；太阳上粒子的正交碰撞则形成极端高温高压，让聚变反应持续爆发，如太阳上的黑子活动反映了正交碰撞点的时空不均匀分布特征。

这一机理为人造小太阳提供了新的设计思路：构造正交碰撞装置。其核心逻辑是让激光粒子在靶丸表层形成多组正交碰撞，通过碰撞产生的极致能量密度，替代现有装置 “间接约束” 或 “间接加热” 的低效模式 [2]。

与现有技术相比，正交碰撞理论有三大核心优势：

1.能量密度最大化：根据正交碰撞理论，垂直相交的粒子碰撞能将质量单向转化为能量，碰撞点的能量密度远高于追尾碰撞（惯性间接驱动装置）或单向约束碰撞（托卡马克装置）。就像两辆车垂直相撞的冲击力远超追尾，加速激光粒子的正交碰撞能在靶丸表面形成 “能量热点”，快速达到聚变所需的高温高压。

2.能量损耗最小化：现有惯性间接驱动装置的激光能量需经黑腔反射转化，损耗率极高；托卡马克的磁场约束也会因粒子逃逸造成能量损失。而正交碰撞直接让能量在靶丸表层聚焦，碰撞产生的新粒子还会向靶丸中心汇聚，减少能量耗散，相当于让 “能量精准命中目标”。

3.燃料燃烧更充分：正交碰撞会引发连锁反应 —— 初始设计碰撞产生的高温高压会促使燃料粒子发生更多后继自发正交碰撞，就像太阳内部的粒子多角度与正交连锁碰撞，让氘氚燃料充分 “燃烧”，质量转化为能量的效率大幅提升。

三、正交碰撞装置的理论设计：平衡创新与可行性

正交碰撞的核心挑战在于：如何让加速激光束在微小靶丸表面精准实现或逼近正交碰撞，同时避免能量散射。基于现有技术基础，我们可以提出一套 “多维度正交聚焦” 的装置设计方案：

1. 核心结构：正交椭球黑腔与多束激光阵列

借鉴已有的正交椭球腔设计，将黑腔升级为 “三维正交腔体”—— 由三个椭球腔沿 x、y、z 轴正交拼接，形成 6 个激光注入孔，每个注入孔对应一组激光阵列。与传统黑腔不同，该设计的注入孔并非单向入射，而是让激光束以 45° 角成对射入，确保两束激光在靶丸表层的预设点位精准正交。

例如，从 x 轴正方向和 y 轴正方向射入的激光束，在靶丸表面的指定位置垂直相交；同理，z 轴与 x 轴、z 轴与 y 轴的激光束也形成正交碰撞，最终在靶丸表层形成均匀分布的 “正交碰撞网”。这种设计既避免了激光束在传输过程中相互干扰，又能让能量均匀聚焦在靶丸表面。这种设计类似台风最强发展时的周围四条螺旋云雨带，相邻两条之间在台风眼壁上的正交碰撞，最后形成能量高度集中的绕眼环状云雨墙。

2. 激光控制：高精度时序与相位校准系统

要实现激光正交碰撞，必须解决 “精准控制” 的难题。装置需配备两套核心系统：一是 “激光时序同步器”，确保成对激光束在同一毫秒内到达碰撞点，误差不超过 1 纳秒；二是 “相位校准仪”，实时调整每束激光的波长和相位，避免碰撞时产生能量散射。

此外，激光束需采用 “平滑化处理”—— 通过分布式相位板消除激光散斑，让光束能量分布均匀，避免局部能量过高导致靶丸壳层畸变。这一技术已在惯性约束聚变中得到应用，可直接迁移适配。

3. 靶丸设计：多层结构适配碰撞能量

靶丸采用 “三明治结构”：外层是耐高温的碳氢化合物壳层，中间是氘氚燃料层，核心是高密度氘氚冰，类似地球地质演化早期的内外三圈层结构。当正交激光束在外层壳面碰撞时，壳层快速消融产生反冲力，配合碰撞产生的向心加速度，将燃料层压缩至极高密度；同时，碰撞产生的 X 光和高能粒子直接加热燃料，引发聚变反应。这种设计既利用了惯性约束的压缩优势，又通过正交碰撞提升了能量利用效率。

四、理论与实践的桥梁：从实验室到工程化的路径

正交碰撞装置虽仍处于理论设计思考阶段，但并非空中楼阁。基于现有技术积累，我们可以规划三步走的发展路径：

1. 实验室验证阶段

首先搭建小型化正交碰撞实验装置，采用 12 束加速激光分成 6 组，实现简单的二维正交碰撞。核心目标是验证：正交碰撞能否产生比传统方式更高的能量密度，碰撞点的能量损耗率是否低于 10%。这一阶段可复用 NIF 的激光控制技术和托卡马克的等离子体诊断技术，降低研发成本。

2. 技术优化阶段

在实验室验证成功后，升级为三维正交碰撞装置，加速激光束数量增加至 24 束，形成完整的 “碰撞网”。重点攻克三大技术：激光相位校准的精准度提升至 0.1 纳秒级；靶丸制备的均匀性误差控制在 1% 以内；黑腔材料的耐高温性能升级，承受碰撞产生的极端环境。同时，联合超导磁体技术，探索 “正交碰撞 + 磁约束” 的混合模式，进一步提升约束稳定性。

3. 工程化示范阶段

建造兆瓦级正交碰撞示范堆，实现连续运行。关键突破方向包括：激光能量转换效率从 1% 提升至 10% 以上；靶丸实现自动化生产，降低单次实验成本；开发高效的能量回收系统，将聚变产生的能量转化为电能。此时，装置将具备商业化能源应用的基础，能量增益有望突破 Q=20，远超现有路线的目标。

五、未来展望：正交碰撞为何能加速人造小太阳的实现？

人造小太阳的终极目标是实现 “低成本、连续稳定的清洁能源供应”。正交碰撞装置的理论优势，恰恰击中了现有路线的核心短板：

能量增益潜力更大：理论上，正交碰撞的能量密度是惯性间接驱动装置的若干倍，能耗率可降至 5% 以下，有望实现 Q>30 的超高增益，远超 ITER 的 Q=10 目标。

运行成本更低：激光转换效率提升后，电网输入能量将大幅减少；靶丸虽仍为消耗品，但能量利用率的提升可降低单位能量的靶丸消耗成本。

工程化难度可控：装置的核心技术（激光控制、黑腔设计、靶丸制备）均源于现有路线的成熟技术，无需从零研发，仅需进行集成创新和优化。

更重要的是，正交碰撞理论回归了太阳上核聚变的本质机理，让人造小太阳的设计从 “模仿形式” 走向 “复刻核心”。就像人类从模仿鸟类翅膀的煽动，到理解空气动力学后发明飞机，正交碰撞或许就是那个 “空气动力学” 般的核心突破 —— 它不是对现有路线的否定，而是站在巨人肩膀上的创新。

结语：科学探索需要 “敢想敢试” 的勇气

从托卡马克的环形磁场到 NIF 的激光聚焦，人造小太阳的探索之路已走过数十年，每一步突破都源于对 “更优方案” 的追求。正交碰撞装置会面临诸多技术挑战，但正如百年前爱因斯坦提出相对论时，无人能想象其应用前景，今天的理论构想，或许就是明天的技术现实。

太阳的能量源于微观粒子的无规则碰撞和宏观粒子群的方向性加速运动，而人类的智慧在于将 “无规则” 转化为规则 “可控”，也就是形成宏观粒子群的方向性碰撞。正交碰撞理论的价值，不仅在于提供了一种新的装置设计思路，更在于提醒我们：突破现有框架，回归自然本质，可能是破解难题的关键。随着光学技术、材料科学和控制工程的不断进步，或许在未来 20 年内，我们就能看到正交碰撞装置点亮第一缕 “人造阳光”，让可控核聚变真正走进人类生活，为地球带来永续的清洁能源。

参考文献

[1] Qian WH (2024) The Essence of Gravity Is the Expansion Tendency of the Universe after the Big Bang. J Modern Physics 15: 804-849.

[2] Qian WH (2025) Expanding Force in Astronomy and Updraft Force in Meteorology. J Modern Physics 16: 267-285.

来源: 钱维宏