摘要：化学方程式描述了化学反应中分子的组成结构的变化。不同数量的原子经化学键链接在一起，成为分子。化学键由相反电荷间的电磁力引起，电荷可能来自电子和原子核，或由偶极子造成。

01

我们都上过化学课，对化学方程式不陌生。

化学方程式描述了化学反应中分子的组成结构的变化。不同数量的原子经化学键链接在一起，成为分子。化学键由相反电荷间的电磁力引起，电荷可能来自电子和原子核，或由偶极子造成。

两个原子（实际不限于两个或两种）相遇后，原子核外部的电子会受到两个原子核的吸引，博弈一番后形成彼此相交的稳定态，这就构成了分子。分子是不稳定的，容易在各种条件下（如加热，催化剂、通电）发生分解和重组。这就是化学变化。

化学变化的本质是旧化学键的断裂和新化学键的生成，导致新分子结构的产生。在这个过程中，原子们会重组，形成新的、具有不同属性的分子。

值得注意的是，在这个过程中，组成化学分子的原子不会增加或减少，原子自身也没有变化。原子之所以为原子，就在于它是能保持其化学性质的最小单位的元素。化学变化只是原子外围松散的、形态上的变化，并不涉及原子本身。

02

那么，倘若原子发生变化呢？事情就有些大了，就抽象得骇人听闻了。进入绝对的微观领域后，化学方程式就变成了质能方程。这时候需要用量子力学来承担研究任务。

作为过渡，把量子力学用于分子与原子中电子的类波行为的研究被称作量子化学。

将量子力学用于研究原子结构属于量子力学的应用领域，具体通常称为原子物理学或量子化学。量子力学关注原子结构的特征和变化。原子所携带的能量，可以通过裂变或聚变产生巨大的释放。我们之前在极简核能发展史主要回顾了核裂变带来的核能发展历程，并提到了核聚变在近些年的技术进步。今天就简单聊聊核聚变的发展历程。

03

先谈谈核聚变的原理。

原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。原子核由带正电的质子和电中性的中子组成，带负电荷的电子像行星围绕太阳运转一样，围绕带正电荷的原子核运转，在这个过程中库仑力与离心力必须平衡。许多物质是由原子直接构成的。

要了解核聚变，还得从核裂变谈起。

核裂变是指由质量较大的原子核，分裂成两个或多个质量较小原子核的一种核反应形式。核电厂的能量就是来源于核裂变。用中子轰击易裂变的如铀-235原子核，它就会分裂成2个（偶尔3个）较轻的原子核，同时释放出2个（有时3个）新中子，并释放出很大的能量——原子核结合能。

原子弹的原理，就是利用这种裂变的链式反应：当一个原子核发生裂变释放出中子，这些中子又引发其他原子核的裂变，从而使裂变反应以指数形式连续不断地进行下去的现象，继而产生巨大的能量释放，瞬间毁灭周围一切。

与核裂变相反，核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程（反正只要是原子发生变化，就要释放巨能）。核聚变反应发生在一种被称为等离子体的物质状态中——一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体或气体的独特性质。

核裂变会在瞬间形成巨大的破坏力，我们常被联合国关于地球上有多少枚核弹的统计数据吓得忧心忡忡，生怕这些炸弹哪天不慎起火。

与此相比，核聚变有巨大优势，被誉为「人类终极能源」，核心优势在于固有的安全性、几乎取之不尽的燃料储量以及对环境的友好性。

核裂变利用链式反应，一旦控制不当可能导致熔毁或失控事故，如切尔诺贝利和福岛核电站事故所展示的那样，带来毁灭性的生态灾难。然而，核聚变反应的发生和维持需要极其苛刻的温度、密度和约束条件，只要反应堆的约束或加热系统出现问题，反应条件将立即瓦解，聚变自动终止。

这种从根本上杜绝链式反应和熔毁风险的「固有安全」属性，不仅是一个关键的技术特性，更是其未来大规模社会应用「通行证」。而且，核聚变反应不会产生像核裂变那样长寿命的高放射性废物，仅仅产生中子活化物质，其半衰期相对较短，处理难度和风险均大大降低。

这种技术上的天然优越性，为其未来的广泛应用奠定了坚实的社会和政治基础。如果核电厂的反应堆是聚变的反应堆，就很难发生核泄漏的灾难。

04

假如你觉得核聚变过于抽象的话，我用一个肉眼可见的事实告诉你它的作用有多巨大：万物生长靠太阳，太阳那团巨大的火球和宇宙中其他恒星都是由核聚变反应所驱动的。想想我们，哪怕地球在自传过程中稍微偏一点，导致地面受热面积缩小或变大，人就会感觉到严寒或酷热，带来地球的四个季节。核聚变的力量是不是直观了许多。

然而要实现在地球上实现核聚变，面临着极高的技术难题。简单说就是要要创造出类似太阳核心的极端环境。这需要将物质加热到上亿摄氏度的超高温，使其变为一种特殊的物质状态——等离子体。

此时，原子核和电子被完全电离，成为自由移动的带电粒子，从而克服原子核之间相互排斥的库仑力。为了在这种极端高温下维持聚变反应，等离子体还必须被约束在一个有限的空间内，以增加原子核相互碰撞的机会，撞上了，撞多了才能聚合。

就算理论上通畅，要实现却难如登天。它的发展还要退回到核能研究的早期阶段。

05

早期理论

1920年，英国物理学家亚瑟·爱丁顿提出恒星的能量可能来源于氢氦聚变。

1928年，美国核物理学家伽莫夫揭示了聚变反应中的「库仑势垒隧穿效应」，为热核聚变研究指明了方向，为后续的实验研究提供了科学蓝图。

1929年，英国的阿特金森和奥地利的奥特斯曼等人从理论上计算了氢聚变生成氦的条件，明确了热核聚变研究方向。

1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特首次在实验室中实现了人工氘-氘（D-D）聚变反应。这些早期的实验虽然消耗的能量远大于产出的能量，无法用于发电，但它们标志着人类开始将聚变理论付诸实践。

1938年，德国和美国犹太裔核物理学家汉斯·阿尔布雷希特·贝特提出了恒星内部「碳-氢循环」聚变理论，1942年又在美国普渡大学实现了首个D–T聚变反应。由于恒星核合成理论研究成果，他获得了1967年诺贝尔物理学奖。

06

实验与武器化

1950年代，苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的物理学家伊戈尔·塔姆、安德烈·萨哈罗夫和列夫·阿齐莫维齐等人提出的著名的托卡马克（Tokamak）方案，在等离子体参数上取得了令人惊叹的成果，迅速成为全球磁约束聚变研究的主流方向。

1951年，美国乔治核试验首次实现了人工热核聚变反应，当时使用了少量氘氚气体。此次试验产生了迄今为止最大的当量，达到225千吨，相当于「小男孩」号核弹的15倍。

1952年，美国在恩尼威托克岛成功试爆首颗氢弹，实现了不可控聚变。核聚变武器化。

07

聚变能（可控核聚变）的发展

1957年，英国物理学家劳森在日内瓦国际大会上给出了约束时间、密度与温度的乘积必须超过一定值才能实现能量正平衡的条件。核聚变的三要素（温度、密度、约束时间）构成了实现聚变点火的核心指标。

同在1957年，英国研发了世界第一台核聚变装置Zeta，尽管其发展未能达到预期，但此举仍被视为人类可控核聚变发展史上的重要里程碑。与此同时，世界各国开始密集投入可控核聚变研究。注意！只有可控的核聚变才能安全地为人类服务。

1958年，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室的「锡拉一号」装置在实验室中首次实现了热核聚变。

1985年，国际热核聚变实验堆（ITER）计划应运而生。作为有史以来最复杂的工程之一，ITER汇集了中、美、欧等七个成员国的资源，其核心目标是在工程层面验证聚变发电的可行性。其成果仍在等待中。

1993年至1996年，在美国普林斯顿大学PPPL的TFTR实验中，产生了1.6GJ（吉焦耳）的聚变能量。

2021年，中国EAST实验装置于实现了长达1056秒的长脉冲高参数等离子体稳定运行，其离子温度在2018年就已突破1亿摄氏度。此外，中国自主设计建造的新一代磁约束核聚变实验装置中国环流器二号M（HL-2M）也已将等离子体离子温度提升至1.5亿度，为未来聚变堆的建设奠定基础。

2023年，位于英国的欧洲联合环（JET）创造了新的世界纪录，在约5秒内持续产生了69兆焦耳的能量。这是迄今为止人类从核聚变实验中获得的最大能量值。

08

当前的核聚变技术似乎面临突破瓶颈的关头，「人造太阳」的实现变得日益可能。当可控核聚变转变为能量的一天到来，困扰人类的能源再生问题或许不复存在。

不过凡事都有两面，我不禁又有些担忧，假如每个国家都在自己的国土上制造「太阳」，固然解决了电力、动力和人类生存需要的一切能源，可是这些太阳会不会让本已具备室温效应的地球变得更热呢？四季会不会消失，以至地球永远如春天般温暖呢？

来源：刘兴亮