最近，新一代人造太陽「中國環流三號」突破「雙億度」。 那問題來了，太陽內核1500萬℃就能氫聚變，為什么可控核聚變需要雙1億℃以上？

當不考慮其它條件，理想氣體的動能和溫度符合以下公式：

• E為分子平均動能，k為玻爾茲曼常數（1.380649 × 10^-23 J/K），T為熱力學溫度。

這意味著在同樣的一個加熱體系中，原子核和電子的溫度應該是一樣的。

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相互作用力，從而發生聚變。

約束足夠高，氫核密度足夠的大，才能增加碰撞概率，提升反應速率。

太陽內核壓強高達2500億個大氣壓，氫可以在1500萬℃條件下持續聚變。

如果你無法提供這么高的壓強，就只能退而求其次，提高溫度。

典型托卡馬克等離子體壓強大約為200-300kPa，也即2~3個大氣壓。

理想條件下，托卡馬克裝置內部的聚變材料反應速率如下：

反應速率（縱）隨溫度（橫）的變化

可以看出，氘氚（D-T）聚變是最容易實現的：

氘氚（D-T）大約在1000萬℃就會開始反應，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速率差距。一直到10億℃附近，氘氚的反應速率都有顯著的優勢。

• 之所以溫度超過10億℃，反應速率反而降低了，是因為溫度越高反應截面（粒子發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生，但溫度太低時反應速率過低，1億℃以上一般認為是氘氚反應堆可行的最低溫度。而氘氦3需要10億℃，氘氘更是需要100億℃。

所以，現在的托卡馬克裝置基本都是以實現氘氚聚變為目的。之所以，1億℃作為重大突破，便是因為達到了聚變堆門檻。

由于氚具有放射性，所以為了安全考慮，常規托卡馬克實驗一般使用的是氘氘（D-D）聚變。

因為早期實驗主要是磁約束的掌握和技術提升，并不一定需要發生聚變，所以可以用氘氘（D-D）替代氘氚（D-T）進行實驗。

顯然，為了使聚變發生，我們的最終目的是提升氫核的溫度。

「中國環流三號」本次實驗的具體氫同位素構成，沒有公布。

質子質量為：1.672621637（83）×10^-27kg 中子質量為：1.674927211（84）×10^-27kg 電子質量為：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。

這兩種方式各有優缺點：

電子回旋共振加熱（ECRH）穿透強，總（能量）效率高，可達60%。

但由于氫核質量遠遠高于電子，發生理想彈性碰撞時，依據基本的動量、動能守恒，氫核每次碰撞分配得到的動能會比電子低得多。

雖然時間足夠的久，最終平均動能都會相同。但我們磁約束持續的時間有限，在氫核尚未被電子充分加熱，約束就結束了。

中性束注入（NBI）雖然可以高效率地加熱氫核，但也有缺點，其穿透能力有限，且總效率比較低，通常40%。

所以，在實際的加熱過程，電子回旋共振加熱（ECRH）和中性束注入（NBI）是同時使用，二者互補的。

中性束注入（NBI）實現等離子體的整體加熱和電流驅動，電子回旋共振加熱（ECRH）則進行精準的局部調控。

無論考慮到碰撞動能轉換，還是輸入電能的總效率，電子在整個系統中都會升溫更快。

“中國環流三號”的原子核溫度達到1.17億度，電子溫度達到1.6億度，具有多個角度的意義。

首先是原子核超過1億℃，直接達到了聚變反應堆門檻。

其次是電子溫度達到1.6億℃，意味著整個裝置已初步具備把等離子體整體加熱到這個溫度的條件，逼近2億℃的更高反應門檻。

雙億度也反應了裝置加熱效率，整體調控，以及高溫磁約束上的技術優勢。

總之，可控核聚變的關鍵是離子約束密度、約束溫度，以及約束持續時間。

所以，未來的重點，依舊主要在于溫度和持續時間的提升。

原子核2億℃，以及1億℃持續20分鐘以上的長脈沖穩態約束已經不遠。

中國可控核聚變技術一直都在穩步推進。

數年后的工程堆條件已初步具備條件，問題不大。

至于原型電站的實現時間，需要看工程堆所能達到的具體Q值（聚變增益，產出/消耗）。

考慮到裝置的持續運轉和損耗，往往需要Q值大于2，才做到正效益。

再加上整個發電系統、電站系統的損耗，往往需要Q值大于5。

要讓核聚變電能足夠的廉價，大于5遠遠不夠，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間的限制。

中國在這方面一直穩扎穩打，未來的工程堆實現Q大于1～5應該會比較快。

Q大于10必然會有諸多未知的挑戰，但相信一定能一步步的解決。

所謂，千里之行，積于跬步。前期各種技術的積累，是未來實現聚變工業的必要條件。