超導托卡馬克實驗裝置東方超環

1. 1.2億攝氏度燃燒超百秒，人造太陽「東方超環」有何用

5月28日，在中科院合肥物質研究院等離子體所，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置東方超環（EAST）再創世界紀錄：實現了可重復的1.2億攝氏度101秒等離子體運行和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。

東方超環是什麼？

在理解東方超環之前，先要了解托卡馬克是什麼。托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器，它的名字Tokamak，來自於俄語「磁線圈環形真空室」的縮寫。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。通電的時候，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

東方超環是中國科學院等離子體所自主設計、研製並擁有完全知識產權的磁約束核聚變實驗裝置，是世界上第一個實現穩態高約束模式運行且持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置。該裝置的主機部分高11米，直徑為8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。

由於核聚變的反應原理與太陽類似，因此，東方超環也被稱作「人造太陽」。

研究東方超環有何意義？

聚變能由於具有清潔、環保、安全、原材料儲量極其豐富等優點，被認為是最終解決人類能源問題的戰略能源，但是如何實現穩定可控的核聚變為人所用是擺在全世界科學家面前的一道難題。

雖然鮮為人知，東方超環實際上與我們的生活密切相關。在人類資源日趨緊張、環境日趨惡化的情況下，聚變能是人類未來能源利用的趨勢，對大眾生活具有重要影響。此次中國人造太陽東方超環刷新世界紀錄，意味著人類讓核聚變成為未來清潔新能源的努力，又取得了一次突破性進展。

專家：中國原子能科學研究院院士王乃彥

2. 現代的科技發明有哪些

現代的科技發明：全超導托卡馬克核聚變實驗裝置、機器人、太陽帆、3D列印機、自動駕駛汽車。

一、全超導托卡馬克核聚變實驗裝置

國家大科學裝置——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置東方超環（EAST）實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行，創造了新的世界紀錄。這一重要突破標志著，我國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面將繼續引領國際前沿。

東方超環是世界上第一個實現穩態高約束模式運行持續時間達到百秒量級的托卡馬克核聚變實驗裝置，對國際熱核聚變試驗堆（ITER）計劃具有重大科學意義。由於核聚變的反應原理與太陽類似，因此，東方超環也被稱作「人造太陽」。

該成果將為未來ITER長脈沖高約束運行提供重要的科學和實驗支持，也為我國下一代聚變裝置——中國聚變工程實驗堆的預研、建設、運行和人才培養奠定了基礎。

二、機器人

機器人（Robot）是自動執行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智慧技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作，例如生產業、建築業，或是危險的工作。

三、太陽帆

太陽帆（英文名：Solar sails）是利用太陽光的光壓進行宇宙航行的一種航天器。由於這種推力很小，所以航天器不能從地面起飛，但在沒有空氣阻力存在的太空，這種小小的推力仍然能為有足夠帆面面積的太陽帆提供 10e－5～ 10e－3g左右的加速度。

四、3D列印機

3D列印機（3D Printers）簡稱（3DP）是一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發明家設計的一種神奇的列印機，不僅可以「列印」一幢完整的建築，甚至可以在航天飛船中給宇航員列印任何所需的物品的形狀。但是3D列印出來的是物體的模型，不能列印出物體的功能。

2016年2月3日訊，中國科學院福建物質結構研究所3D列印工程技術研發中心林文雄課題組在國內首次突破了可連續列印的三維物體快速成型關鍵技術，並開發出了一款超級快速的連續列印的數字投影（DLP） 3D列印機。

該3D列印機的速度達到了創記錄的600 mm/s，可以在短短6分鍾內，從樹脂槽中「拉」出一個高度為60 mm的三維物體，而同樣物體採用傳統的立體光固化成型工藝（SLA）來列印則需要約10個小時，速度提高了足足有100倍!3D列印實現太空工業化。

五、自動駕駛汽車

自動駕駛汽車（Autonomous vehicles；Self-piloting automobile ）又稱無人駕駛汽車、電腦駕駛汽車、或輪式移動機器人，是一種通過電腦系統實現無人駕駛的智能汽車。在20世紀已有數十年的歷史，21世紀初呈現出接近實用化的趨勢。

谷歌自動駕駛汽車於2012年5月獲得了美國首個自動駕駛車輛許可證，預計於2015年至2017年進入市場銷售。

自動駕駛汽車依靠人工智慧、視覺計算、雷達、監控裝置和全球定位系統協同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操作機動車輛。

3. 東方超環的超指的是什麼

東方超環的「超」指的是「超出」。
東方超環(EAST)，俗稱「人造小太陽」，是中國科學院等離子體所自主設計、研製並擁有完全知識產權的磁約束核聚變實驗裝置，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，位於安徽省合肥市科學島。
2010年12月24日，東方超環2010年度實驗結束，已獲得1兆安等離子體電流、100秒1500萬度偏濾器長脈沖等離子體、大於30倍能量約束時間高約束模式等離子體、3兆瓦離子迴旋加熱等多項重要實驗成果，大大推進了「東方超環」實現其總體科學目標的進程；實驗中廣泛開展的國際合作，使「東方超環」已成為國際上最重要的高參數長脈沖等離子體物理實驗平台。

4. 東方超環的超指的是超大面積嗎

「東方超環」中的「超」不是指超大面積，而是指超出（一定的程度或范圍）的意思。東方超環(EAST)，俗稱「人造小太陽」，是中國科學院等離子體所自主設計、研製並擁有完全知識產權的磁約束核聚變實驗裝置，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，位於安徽省合肥市科學島。
「東方超環」全稱為Experimental（實驗）Advanced（先進）Superconcting（超導）Tokamak（托卡馬克）。「東方超環」是由中國科技工作者獨立設計製造的世界首個全超導托卡馬克，於2007年3月通過國家驗收，其三大科學目標是在未來15年內實現1兆安電流、1000秒放電、1億度高參數等離子體的穩定運行，為國際熱核實驗聚變試驗堆ITER和中國未來獨立設計建設運行聚變堆奠定堅實的科學和技術基礎。

5. 人造太陽的原理

人造太陽的原理

人造太陽的原理，萬物生長靠太陽。可以說，太陽是地球最大的能量來源，現實中，中國真的有「人造太陽」，而且有兩個，一個在安徽合肥，另一個則是位於四川成都。人造太陽的原理。

人造太陽的原理1

人造太陽本質是可控核聚變。

核反映分為兩種：核裂變（fission）和核聚變（fusion）。所有的核反應，質子數都是守恆的。

核裂變是指講一個原子分裂成許多原子，比如鈾原子裂解成氪原子和鋇原子（n+U→Kr+Ba+3n，n表示中子）這個過程中可以放出能量（只有在鐵以後的元素裂變後放出的能量大於裂變所需要的能量，也就是說鐵以後的元素進行核裂變才有意義）。目前人類掌握可控核裂變的能力，核電站便是其應用。

核聚變是指將不同的原子結合到一起變成一個原子，比如氫的兩個同位素

氘氚結合形成氦原子（D+T=He+n，其中n表示中子，D表示氘，T表示氚）這個過程中同樣可以放出能量（只有在鐵以前的元素聚變後放出的能量大於聚變所需要的能量，也就是說鐵以前的元素進行核聚變才有意義）。核聚變不會產生輻射污染。人類目前不掌握長時間可控核聚變的能力。氫彈是核聚變，確實不可控核聚變，而且氫彈需要原子彈（原理是核裂變放出大量能量）的爆炸進行引爆（這也是為什麼雖然核聚變不會產生輻射污染，但是氫彈的引爆還是會產生輻射污染的原因）。太陽也是核聚變。為什麼人類掌握了原子彈很快就造出了核電站，研究出了氫彈卻遲遲做不出可控核聚變呢？

因為核聚變需要在極高的溫度下才能夠進行， 核聚變的反應基本步驟如下：

把反應所需要的混合氣體加熱到等離子態，使原子核和電子能夠自由移動，大約需要十萬攝氏度。

繼續加熱使原子核加速運動，從而在與其它原子核碰撞時結合成一個更大的原子核，需要上億攝氏度。

沒了。

聽上去好像挺簡單，但是在哪有能夠承受上億度的材料來做反應堆呢？

打個比方，核反應就像一個穩定的投資，方案A：投資10萬，回報100萬；方案B：投資1億，回報1000億；A方案就相當與核裂變，B方案相當於核聚變；聽上去B方案多劃算，賺的又多，回報率又高，但是關鍵是你沒有1億啊。

感謝全世界科研工作者的努力，現在已經有很多可行的思路。

最早的著名方法是"托卡馬克"（TOKAMAK）型磁場約束法（也是現在最主流的方法）。它是利用通過強大電流所產生的強大磁場，把等離子體

約束在很小范圍內使機器設備不需要直面上億攝氏度的反應以實現上述三個條件。目前已經可以成功運行，但是運行時間極短遠達不到應用的地步。我國大型托卡馬克

裝置"東方超環"EAST，維持上億攝氏度運行10秒。這已經是目前世界上最好的成績，但離應用還有很長的路要走。而且按照現有的技術水平，要建立托卡馬克型核聚變裝置，需要幾千億美元。

另一種實現核聚變的方法是慣性約束法。慣性約束核聚變是把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓（反作用力是一種慣性力

，靠它使氣體約束，所以稱為慣性約束），就像噴氣飛機氣體往後噴而推動飛機前飛一樣，小球內氣體受擠壓而壓力升高，並伴隨著溫度的急劇升高。當溫度達到所需要的點火溫度（大概需要幾十億度）時，小球內氣體便發生爆炸，並產生大量熱能。這種爆炸過程時間很短，只有幾個皮秒（1皮等於1萬億分之一秒）。如每秒鍾發生三四次這樣的爆炸並且連續不斷地進行下去，所釋放出的能量就相當於百萬千瓦級的`發電站。 原理上雖然就這么簡單，但是現有的激光束或粒子束

所能達到的功率，離需要的還差幾十倍、甚至幾百倍，加上其他種種技術上的問題，使慣性約束核聚變仍是可望而不可及的。

盡管實現受控熱核聚變仍有漫長艱難的路程需要我們征服，但其美好前景的巨大誘惑力，正吸引著各國科學家在奮力攀登。

人造太陽的原理2

有一部小說叫《中國太陽》，講的是農村小伙兒水娃不斷奮斗，藉助「中國太陽」工程成為深空宇宙開拓者，為人類解決能源問題的故事。

現實中，中國真的有「人造太陽」，而且有兩個：一個在安徽合肥西郊「科學島」上的中國科學院合肥物質科學研究院內，是有著「東方超環」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(簡稱EAST);另一個則是位於四川成都中核集團核工業西南物理研究院的中國環流器二號M裝置(HL-2M)。

5月28日，「東方超環」再次刷新了世界紀錄：在其第98958次放電中，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，是1億攝氏度20秒原紀錄的5倍。這意味著人類讓核聚變成為未來清潔新能源的努力，又一次取得了突破性進展，標志著我國在穩態高參數磁約束聚變研究領域將繼續引領著國際前沿。

理想的「終極能源」 一旦掌握了核聚變能，人類將實現「能源自由」

煤、石油、天然氣，這些人類賴以生存的不可再生能源終有一天將被耗盡。人類面臨著嚴重的能源危機和環境危機。如何從根本上解決這一問題?尋找新能源。

萬物生長靠太陽。可以說，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內核溫度約1500萬攝氏度，像一個熊熊燃燒的大火球，每秒鍾可散發出相當於1億億噸煤炭完全燃燒產生的能量。

太陽為什麼能產生這么大的能量?因其內部持續不斷的核聚變反應。而支撐這種聚變反應的主要原材料氘，在地球上的儲量極其豐富。

據測算，從1升海水中提煉出的氘，經核聚變反應後釋放的能量相當於300升汽油燃燒的能量。而海洋中蘊藏著約40萬億噸氘，理論上用於聚變反應釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。

由此，模仿太陽聚變反應原理造一個「太陽」，被科學家們認為是解決人類能源危機的最佳方案。

核聚變的原理是由質量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個原子核相互碰撞聚合，生成新的質量更重的原子核氦，由於質量虧損和質能轉換，釋放巨大的能量。

「簡單來說，地球上『最容易』實現的氘氚核聚變反應的最終生成物是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的。」中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所的鄢容博士告訴記者，這是一種清潔能源，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現燃料棒熔斷的災難，比風能和太陽能穩定，被認為是一種理想的「終極能源」。「一旦掌握了核聚變能，人類將實現『能源自由』。」

人造太陽的原理3

所謂的「人造太陽」，是對「受控核聚變實驗裝置」的形象性的稱呼。

我們知道，太陽這類恆星之所以能夠發出巨大的能量，是因為在恆星中時刻都在發生著氫聚變為氦的核聚變反應。人類製造出的氫彈，就是不受控制的核聚變反應。核聚變反應產生出巨大的能量，而要讓核聚變反應產生的能量為人類所用，就必需要讓核聚變反應在受到控制的條件下發生，讓反應強就強，讓反應弱就弱，讓反應停止就能停止，就象現在的核電廠一樣。只是現在的核電廠用的是核裂變反應產生的能量，而不是聚變。

但由於核聚變反應使用的原料是氫，是氣體，發生反應時，壓力要非常大，溫度高達5000萬度以上，沒有材料能夠承受這么高的溫度和壓力。所以科學家就設計了一種裝置，讓高溫高壓狀態下的氫氣由高磁場束縛住，不讓它亂跑，也不讓它與周邊的材料接觸，以免材料在高溫下融化。同時又在高磁場條件下，能夠把核聚變產生的能量引導出來，用來發電。

由於這個裝置產生的核聚變反應與太陽等恆星上發生的反應類似（雖然也是氫核的聚變反應，但並不完全一樣），所以就形象地把這個裝置稱為「人造太陽」。

地球上的資源總有一天會枯竭，加上生態環境持續惡化。面對人類離不開的能源需求，如何才能夠得到充分的保障與滿足，以及環境保護。尋找與開發新的清潔能源，將成為一種戰略必然。在此大背景下，通過核聚變原理技術，製造人造太陽變現成安全能源，已成為未來清潔能源的一個選項。一旦成功，將會給眾多領域帶來跨越性進步，比如：航天、電力等。

6. 中國人造太陽

「人造太陽」只是對「受控核聚變裝置」的形象的說法，並不是造出一個掛在天上發光發熱的球體。

中國的人造太陽也叫「東方超環」，是全超導托卡馬克核聚變試驗裝置，被稱為「人造太陽」。該裝置由中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所自主研製，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，也是中國第四代核聚變實驗裝置。

這個裝置的目標是，讓海水中大量存在的氘和氚在高溫高密度條件下，像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源。這被視為進入第四次工業革命的最強大的基石之一。

科學家測算，1升海水含有0.03克氘，產生的聚變能源相當於300升汽油。海水中共有超過45萬億噸氘，釋放的能量夠人類使用上億年。更重要的是，核聚變反應的產物是氦元素和中子，不產生任何有害物質，堪稱完全清潔的能源。但「人造太陽」至少滿足「極高的溫度」與「充分的約束（在太陽上是靠引力約束的，地球上缺少這種條件）」兩個苛刻條件，才能實現核聚變反應永續進行，並為人所用。

2017年7月，「東方超環」在世界上首次實現5000萬度等離子體持續放電101.2秒的高約束運行，實現了從60秒到百秒量級的跨越，創造了核聚變的世界紀錄。

2018年11月，「東方超環」首次實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦。在電子迴旋與低雜波協同加熱下，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，等離子體中心電力溫度首次實現1億攝氏度運行近10秒，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件。

中國的托卡馬克核聚變試驗裝置

7. 「人造太陽」如能永耀，人類將徹底解決能源問題

太陽的聚變反應，靠重力約束，但仍然需要巨大的空間，才能容納這樣一個高溫物體。 （東方IC/圖）

2021年5月28日，中科院合肥物質科學研究院有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，該成績打破了2020年年底韓國創造的1億攝氏度20秒的紀錄，將時間延長了5倍。科研人員稱新紀錄進一步證明核聚變能源的可行性，也為邁向商用奠定物理和工程基礎。這是人類掌控核聚變的又一次成功突破。

核聚變，指輕原子核，例如氫的同位素氘和氚，聚合為較重原子核，例如氦。聚變過程，會損失一定質量，根據愛因斯坦質能方程，這些質量會轉變為巨大的能量。熱核聚變是宇宙中的常見現象，太陽就是一個巨大的熱核聚變反應爐。

人類對核聚變認識，差不多有100年了。1932年，馬克·奧利芬特完成了氫同位素的實驗室聚變。20年後，1952年，氫彈試驗成功。氫彈是人類 歷史 上第一次利用核聚變。不過，這種方式是劇烈的、不可控。其實，單單可控，人類也能做到，但這樣的聚變反應，輸入能量大於輸出能量，得不償失，而且時間也極短，所以，不能用來發電。要想聚變被用來發電，不但要可控，還要輸出能量大於輸入，並且持續、平穩。

太陽的聚變反應，靠重力約束，但仍然需要巨大的空間，才能容納這樣一個高溫物體。太陽表面的日珥，高於日面幾十萬千米，而地球的直徑才1.2萬多千米。即便如此，沒有磁場、大氣層的保護，地球生物仍然承受不了太陽核聚變所發射的射線。顯然，地球上沒有那麼大空間，要想實現大規模的聚變，還得想其他辦法。

核聚變發生時，是等離子狀態，溫度達到幾千萬度甚至幾億度。沒有任何容器可以承受這樣的高溫。那麼，一個思路就是用一種無形的力去約束等離子體。人類想到的辦法是磁場。

從1940年代末起，各國對聚變發電可行性展開了大量研究，投入大量的人力與經費，開發了多種磁籠。到了1970年代，蘇聯科學家伊戈爾·塔姆、安德烈·薩哈羅夫和列夫·阿齊莫維齊等人在1950年代發明的「托克馬克」（Tokamak）逐漸顯示出了優勢，並在1980年代成為聚變能研究的主流。托克馬克的中央是一個環形真空，外面圍繞著線圈。通電時其內部會產生巨大螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，並加以約束，達到受控核聚變的目的。

此次合肥的EAST於2000年開建，2006年建成，是由中國自行設計研製的，又被稱為東方超環。EAST的一系列裡程碑成果表明，中國磁約束聚變研究在穩態運行的物理和工程方面，開始引領國際前沿。

不過，核聚變所要求的技術、資金、人力是如此之大，往往是一國所難以獨力承受的。

1970年代後期到80年代中期，美國、日本、俄羅斯、歐洲陸續建成了五個大型的托卡馬克裝置。1985年，里根-戈爾巴喬夫倡議蘇聯、歐盟（通過歐洲原子能共同體）、美國和日本平等地參與建設ITER。2006年5月24日，歐盟、美國、中國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方代表草簽了一系列相關合作協議，標志著這項計劃開始啟動。ITER是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，也是國際 科技 合作史上前所未有的。它的建造周期很長，計劃耗資五十億美元（1998年值）。

需要指出的是，ITER的目標是實現氘氚放電自持300-500秒，預期功率到500MW。但這仍然是一個實驗，離商業化還非常遙遠。

可控聚變被認為能為人類帶來無限的清潔能源，遠景規劃非常誘惑人。然而，遺憾的是，過去幾十年，在投入了無數資金之後，科學家取得的成就非常有限，實用性的商業價值，還遙不可及。研究聚變的物理學家中流傳著一個很久的笑話：新聞界又開始報道核聚變技術，要在30年後進入實用階段、核聚變工廠即將開工的消息了。

媒體難免誇張，是因為前景太過美好。

人類的工業 歷史 ，無非是挖礦、種植，得到原材料，然後引入能量製造產品。挖礦本身需要能量，而種植無非是把太陽能變為碳的化合物。所以，人類的生活本質上是由利用能量的程度決定的。而核聚變，可以提供廉價、清潔的能源，一旦實現，勢必從根本上改變我們的生活。

比如，一些高耗電的行業就沒有了電力的限制，勢必會發生變革，例如鋼鐵、化工等產業。電力成本降低，整個產品成本也隨之降低。而煤炭、原油行業，逐漸被替代，地球環境也會更好。再比如現在的電動 汽車 被一些人溢美為「新能源車」，但有的能源的來源一點都不新，電力仍以化石燃料為主。只有當可控核聚變真正占據能源供應的主流時，以此能源的新能源車才實至名歸。

前景如此美好，人類翹首以盼，但前路遙遠，道阻且艱，還有待科學家的努力， 探索 那無盡的前沿。

（作者繫上海金融與法律研究院研究員）

（本文僅為作者個人觀點，不代表本報立場）

劉遠舉

8. 「人造太陽」東方超環再創新紀錄，我國的東方超環到底多厲害

有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST東方超環）在本月初，已經開啟了新一輪的實驗。此次實驗建立在對上一輪實驗結果的總結以及對 EAST 輔助加熱等系統升級改造的基礎之上，目標是讓「人造太陽」向著更「熱」更「持久」發起沖擊。

我們擁有一個共同的夢想，那就是尋求一種無限而清潔的能源，從而實現人類的永續發展。如果說「誇父追日」是古人戰勝自然的美好願望，那麼東方超環則代表了今人把夢想變為現實的努力。

EAST是由國家發改委批准立項的「九五」國家重大科技基礎設施。中國聚變工程實驗堆目前已完成工程設計，聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施正在建設。按照中國核聚變「三步走」的規劃，中國極有可能成為世界首個建成核聚變實驗電站的國家。

9. 為什麼核聚變到產生鐵元素時就停止了

就像我們的太陽一樣，所有恆星都是通過核聚變來發光發熱的，這是因為聚變的過程中會釋放能量，恆星通常都是從氫元素開始聚變，由氫元素聚變成氦元素，通常為四個氫原子聚變成一個氦原子，但是巨變之後的氦原子比4個氫原子的質量要小，這說明在這一過程中會有質量損失，而損失的質量正是轉變成了能量。

通常大質量恆星從氫元素開始聚變成氦元素之後，會順著元素周期表一路向上聚變，因為氦元素可以聚變成鋰元素，接著鈹元素，硼元素等一直聚變下去，直到出現鐵元素的時候，這個恆星的死亡時刻就會到來，因為一旦鐵元素在恆星內部開始出現，就代表著超新星爆發要開始了，這顆恆星會發生劇烈的爆炸，之後轉變成一顆中子星或者黑洞。

那麼為什麼進行的鐵元素的時候，恆星內部的核聚變就不能再進行下去了呢？原因說起來也簡單，就是鐵之前的元素再聚變成鐵元素的時候已經不是能量釋放狀態了，而是需要吸收能量才可以做到。

為什麼鐵之前的元素聚變的時候可以釋放能量，但是鐵元素就不能再釋放能量而需要吸收能量了呢？這里就必須得說一下中子的形成了，當一個質子和一個電子合成中子的時候，它是需要吸收能量的，因此中子的質量通常要比一個質子和一個電子相加之和要大。

鐵原子的構成是26個質子26個電子和30個中子，合成如此多的中子需要吸收大量的能量，因此合成鐵元素需要吸收的能量已經超過了低級元素據變成鐵元素原子核釋放的能量，所以當恆星內部出現鐵元素的時候，就代表著這顆恆星內部需要吸收的能量已經超過了其釋放的能量。

當恆星內部不再釋放能量的時候，它的內部輻射壓將陡然減少，巨大的引力壓縮之下，所有的物質都會向核心集中，因此恆星塌縮現象就發生了，而且這樣的事情只發生在一瞬間，巨大的質量會將恆星的中心元素進一步聚變，所以這一瞬間也會產生鐵以及鐵以上的很多元素，而且這些元素都是需要吸收能量的，恆星的中心會產生1000億度的高溫，在劇烈的高溫高壓之下就形成中子星，而當中子星形成之後，繼續坍縮的物質撞擊到中子星的表面就會被反彈出去，從而也就會發生劇烈的超新星爆發現象了。

如果恆星中心但溫度更高壓力更大，溫度超過3000億度，那麼很可能就會產生黑洞了，產生黑洞的超新星爆發的時間通常都很短暫，因為黑洞會迅速吸收發生超新星爆發的恆星的物質，幾乎會將整個恆星都吸入其中。

首先，很多人一提到核聚變，第一反應是它能釋放出巨大的能量，但你有沒有想過為什麼會發生核聚變？ 原因就是必須要使用本身的能量，然後發生核聚變釋放出更大的能量。

所以要想發生核聚變，必須有足夠的很大的能量才可以達到！ 太陽為什麼能持續不斷地發生核聚變？就是因為太陽巨大的質量產生的萬有引力讓物質向內塌陷產生超高的溫度和壓力，繼而引發了核聚變！

那麼為什麼恆星聚變到鐵就停止了呢？ 因為鐵比較特殊，鐵是自然界最穩定的元素，核聚變到鐵元素過程中吸收了大量能量，但不能釋放出了能量了（因為鐵最穩定），於是在聚變成鐵的過程中能量幾乎被消耗殆盡，沒有足夠的能量當然不會讓核聚變繼續下去！

而超新星爆發正是在聚變成鐵元素後，能量幾乎被消耗殆盡的時候發生的。我們都知道恆星之所以很穩定，就是因為核聚變產生的向外巨大推力與恆星質量向內的萬有引力取得了平衡！

而如今聚變成鐵元素的過程中消耗了巨大能量而沒有釋放能量，核聚變停止了就沒有力量與萬有引力抗衡，於是恆星幾乎所有的物質在萬有引力的作用下急劇向內坍縮！

向內坍縮的速度非常快，撞擊鐵質內核，因此產生巨大的能量，能量幾乎全部施加到鐵質內核上，鐵元素有了足夠的能量再次引發了聚變，聚變成更重的元素！

這個過程是非常短暫的，而恆星物質撞擊鐵核產生的巨大反作用力把鐵核以外的物質拋向太空，這就是超新星爆發，非常壯觀！

鐵元素後，核聚變依然能進行。只是聚變將不再釋放能量，而是吸收能量。

所以恆星內的核聚變當聚變到鐵後（准確的說應該是鎳-62，但鎳最後都會變成鐵），因為不再釋放能量，恆星的平衡被打破，核聚變也就進行不下去了。

為什麼鐵之後的聚變要吸收能量？因為鐵的 比結合能 最高。

解釋比結合能前，先了解什麼是結合能？

結合能不是元素原子核擁有的能量，只是要拆開（裂變）或組合（聚變）原子核時需要吸收或釋放的能量。原子核里核子數（質子與中子都是核子）越多，結合能越高。

而比結合能=結合能 核子數，也叫 平均結合能 。結合能與比結合能之間的關系，相當於GDP與平均GDP之間的關系。

就像GDP再牛也沒什麼意義，主要得看平均GDP一樣，所以核聚變的重點是看比結合能而不是結合能。

鐵的比結合能最高，意味著鐵是最穩定的元素。

由於鐵元素最穩定，所以如果還要往鐵原子核裡面擠核子（聚變）就會變得很困難，所以要消耗大量的能量。

上圖是元素比結合能曲線圖（很多引用說成結合能是錯誤的，一字之差完全不一樣）。從這個圖你還可以知道為什麼氫彈（氫聚變）比原子彈（鈾裂變）威力大。

其實還可以通過愛因斯坦的質能方程：E=MC²，來解釋鐵之後聚變為什麼會吸收能量。

因為鐵之前的元素，也就是輕元素的聚變會損失質量，所以釋放能量，而鐵之後的元素，也就是重元素聚變會增加質量，所以會吸收能量。

為什麼吸收能量，恆星內的核聚變就進行不下去了？

因為恆星是引力與核力之間微妙平衡的產物。

核聚變釋放能量對外形成壓力，與恆星自身引力平衡，恆星才能穩定存在。

從氫元素開始，引力的壓縮使得恆星內部達到了開始聚變所需的高溫，核心先吸收能量再聚變釋放出更大的能量，釋放的能量再為下一次聚變提供能量再釋放，循環往復。

但當恆星內部發生鐵聚變時，不僅不會釋放能量，還會迅速消耗掉恆星的能量，造成恆星坍縮然後引發核爆炸，就是超新星爆發。

而最小規模的超新星爆發所釋放的能量比太陽100億年中放出的能量總和的100倍還多。

強大的能量瞬間在宇宙中形成一個超級反應爐，聚變出所有的元素，包括鐵以後的重元素。

然後在恆星的原地會出現一顆中子星或黑洞。

總結一下

恆星一旦鐵了心想死，攔都攔不住。

在科學界，鐵聚變被稱為「恆星殺手」，終止的是恆星內的核聚變，但開啟的是生命起源的超新星爆發，反而加速了宇宙產生所有元素並拋撒元素的進程，把孕育生命的時間大大縮短，不然又怎麼會有今天的地球，和地球上的我們。

這是一個很有意思的問題，核聚變是恆星生命走向衰亡必須經歷的過程，也是化學元素形成的原因。從氫聚變一直持續到鐵聚變，恆星走完了它的一生。

但是很奇怪的是為什麼恆星到鐵聚變後，就沒有繼續下去，沒有形成其他的重金屬呢？

那是因為前面這些元素的核聚變都會釋放能量，但是鐵聚變時是大量吸收能量，因為鐵原子的穩定性太強了，要增加一個原子要有很大的能量注入。

恆星的能量在鐵聚變中被消耗殆盡，所以走向死亡。鐵元素是核聚變的一個重要分水嶺。所以鐵元素被科學家戲稱為恆星殺手。

其他重金屬的產生要等到中子星相撞時，中子星是比較大的恆星在鐵聚變後因為恆星內部引力塌陷發生超新星爆炸後的產物。兩顆中子星撞擊後有1%的質量會變成重金屬，也就是我們今天說的金、銀、銅、鉑等。我們地球上的重金屬都是形成在宇宙中幾十億年前的中子星相撞事件，它們飄散在宇宙空間里，也進入了地球的地核中。

這個涉及的能量的釋放和吸收問題。以鐵原子為界限，原子序數小於鐵的核聚變是釋放能量的，此時的核聚變稱為氫核聚變，也稱為熱核聚變。恆星釋放光熱能量，發生的就是可控熱核聚變。

而大於等於鐵核聚變的核聚變是吸熱的，屬於重核聚變。在恆星星核內，氫核聚變的末期，已經產生了很多的重核（鐵核），這個時候下，可反應的氫核數量較少，釋放的核能量也較少。或許這時候釋放的能量可以支持少量的重核發生核聚變，但是隨著氫核的完全反應，已經沒有能量支持重核反應了。所以，恆星的核反應也就聚變到鐵核為止。當然了，這個過程中還是有少部分比鐵核重的元素形成，要不宇宙中怎麼會有鐵核以上的元素呢？

當然，更重的元素，就需要極端的天體事件才能形成。例如金元素，據猜測就是在中子星合並已經超新星爆炸的時候產生的，因為只有這種極端環境下，才有足夠能量和壓力，支持重核聚變產生重金屬元素。

大質量恆星的核心通過核聚變反應會逐漸合成越來越重的元素，這些元素會在中心逐漸富集。當鐵元素被合成出來之後，它們也會集中到恆星的中心。然而，不像題主在問題描述中所設想的那樣，鐵周圍的那些情核元素是無法再進行核聚變的，因為反應所需的溫度和壓力是不夠的。而至於為什麼當恆星合成出鐵之後，核聚變反應將會宣告終止，這與恆星本身的動態平衡有關。

恆星需要源源不斷的核聚變反應來向外輻射出巨大的壓力，以此才能對抗自身的重力，這種流體靜力學平衡貫穿恆星演化周期的大部分時間。之所以核聚變反應能夠不斷維持下去，是因為它們產生的能量要比吸收的能量更多，所以總得來說，恆星是在凈輸出能量，在鐵之前的元素都符合這種過程。

然而，到了鐵之後，其比結合能達到了極大值，這要大於比鐵更輕和更重的元素。因此，鐵的核聚變反應是在凈吸收能量，因為該反應產生的能量少於吸收的能量。這樣就會使恆星的重力占據主導作用，流體靜力學平衡被打破，導致恆星內部受到強烈擠壓而引發劇烈的超新星爆炸。

從這里可以看出，恆星的核聚變反應在產生鐵元素之後並沒有停止，而是鐵還會進一步發生核聚變反應，結果會產生更重的元素，比如鎳：

只是鐵的核聚變反應會迅速消耗巨大的能量，這會導致恆星在短時間內失去平衡，最終發生超新星爆發。此後，鐵會俘獲中子繼續合成其他重元素。

1:由於質量不夠大，白矮星內部只能產生元素周期表中鐵以前的元素，這時太陽就成了宇宙中的一顆死星。現在開始擴大質量，如果恆星的質量是太陽的40倍或更高，那麼以上的過程就會更加迅速，此時恆星叫做超紅巨星，恆星內部自然可以產生鐵元素以前的元素，並且是一顆混合星，但是當產生元素的進程到達鐵元素時，熔合過程不能產生大量能量，經過幾十億年後這個巨大的核熔爐就會關閉；

2:但此時的恆星質量還是非常大，在巨大的引力下，恆星內部開始坍縮，電子將倍被壓進原子核，這時恆星的密度是水密度的4000億倍，溫度將達到萬億度，由此恆星開始爆炸形成超新星，巨大的熱量將合成鐵以後的重元素，這就是重金屬元素的形成過程。

在這里我們可以想到，地球上有大量的鐵礦石，在地球形成之前，就有一顆已經死亡了的超新星，其拋出的隕石碎片內含有鐵礦石，然後被太陽的引力俘獲形成今天的地球。所以，地球上的重金屬元素基本都是死亡的恆星合成的，只有當恆星的引力大到可以將電子壓入原子核時，恆星的核聚變進程才能持續到鐵以後的元素。

恆星能夠源源不斷地放出熱量是因為發生了自持式聚變反應，敲黑板，重點是 自持式，這才是考點。

圖釋：上圖為我國合肥等離子所的「人造太陽」超導托卡馬克實驗裝置

在我國的超導托卡馬克實驗裝置東方超環（EAST）實現持續放電101.2秒，這個已經是世界最長的記錄了，此前的記錄是60秒，就是因為反應不能自持下去， 或者說外界輸入的能量大於核聚變輸出的能量，鐵的聚變即是如此。

鐵也可以發生聚變反應，當能量和壓力滿足聚變反應的條件，鐵仍然可以發生聚變反應，只是因為 鐵的平均結合能是目前發現得元素當中最大的 ， 維持鐵核聚變反應消耗的能量要大於鐵核聚變反應放出的能量，即鐵不能發生自持式聚變反應。

圖釋： 上圖為元素的比結合能曲線 ，從圖中可看出鐵的比結合能是最大的，即將鐵核分散成單個核子所需要的平能能量是最大的。

當鐵核聚變將恆星儲存的能量消耗殆盡之後，維持聚變的高溫環境將不在，恆星便不能再繼續發生聚變。

核聚變

首先，我們要搞清楚什麼是核聚變反應？

實際上，核聚變反應就是指原子核相互結合的一種反應，兩個比較小的核結合成一個更大的核，因此也被稱為 核融合 。宇宙誕生之初，主要的元素就是氫和氦，這兩個元素是元素周期表最靠前的兩個元素。

並不是說，在那個時候沒有形成原子序數更高的元素，只是因為那些元素還不夠穩定，因此，又裂變為氦原子核了。我們從元素周期表中也能看出，原子核比氫原子核和氦原子核大的元素原子核多了去了，現在的元素周期表都已經可以排到110多位，而且還沒有達到盡頭。也就是說，宇宙誕生之後，在宇宙中形成了許多大的原子核，鐵元素原子核算是其中的一員，但並不是最大的原子核。因此，核聚變到產生鐵元素就停止是不合理的。如果是這樣，那元素周期表到達鐵元素就應該停下來。那核聚變到底是到哪會停下來呢？

實際上，至今我們也不清楚，關於元素周期表的盡頭到底在哪，至今也沒有一個靠譜的理論可以給出答案。但就目前來看，想要合成比鐵更重的元素，只要能量給到足夠高就可以做到。不僅我們人類可以做到（但做不到大批量的），如今我們已經能合成到118號元素了。

在宇宙中的一些極端條件下也能做到。人類的方法其實就是通過實驗來合成。那宇宙中是如何合成比鐵元素原子序數更大的元素的呢?還有為什麼鐵元素是一個經常被人提及的元素呢？

今天，我們就來詳細說說這兩個問題。

恆星核聚變

在宇宙中，合成比氦元素更大號的元素主要依靠的就是恆星。恆星的內核可以發生核聚變反應。一般來說，由於氫原子核的核聚變反應所需要的門檻是最低的，而且構成恆星的主要元素也是氫元素，因此，恆星的氫原子的核聚變反應會先被點著， 4個氫原子核通過核聚變產生氦原子核 。

為何鐵元素是一個節點？

當氫原子核被消耗得差不多時，只要恆星的質量足夠大，就可以繼續點燃氦原子核的核聚變反應，生成碳原子核和氧原子核。同樣的，只要質量足夠大，就還可以繼續引發碳原子核，氧原子核的核聚變反應。於是，你很容易發現，這個過程其實就是沿著元素周期表從小到大的方向演化，最後一直到鐵元素。

之所以鐵元素是一個節點，是因為鐵是已知的所有元素中最穩定的元素（從原子核的層面來看）。我們也把鐵元素稱為是比結合能最高的元素。這就意味著，要讓鐵原子核發生核聚變反應是非常困難的。原子序數小於鐵元素的原子核都可以通過核聚變反應釋放能量，同樣的，原子序數大於鐵元素的原子核都可以通過核裂變反應釋放能量。它們都有向鐵方向靠的趨勢，這是因為，在宇宙中，萬物都有一個趨勢，那就是趨向於穩定。

如何合成原子序數比鐵更高的元素？

要讓鐵元素發生核聚變，並不是不可能。但是這需要極為苛刻的條件，而且是一筆賠本的生意，整個過程要輸入大量的能量，而釋放的能量很少，輸入要遠比輸出大。在恆星內核中其實很難實現，一般來說，只有兩個極端的天文學現象才可以實現。

首先， 超大質量恆星演化到末期時，會爆發超新星爆炸，在這個過程中，就可以形成原子序數大於鐵的元素 。

超新星爆炸是十分壯麗的天文學現象，它的亮度常常會達到一個星系的亮度，如果距離我們不算非常遙遠，我們甚至可以在白天看到它。而超新星爆炸之後，常常會留下中子星或者黑洞。

而遠比超新星發生的概率還低的是中子星合並，其實就是兩顆中子星相遇了，然後合並到了一起，這個過程中也會形成大量的高順位元素，比如：金。

在宇宙中， 超新星爆炸已經算是不經常能見到的現象了，中子星合並更是少之又少，這也是為什麼金元素很少的原因 。所以，我們會發現，想要讓鐵元素發生核聚變反應真的是一件非常難的事情，但並不是說鐵元素不能發生核聚變反應，事實上是可以的，只要條件要給夠就可以。不過這個條件是極為苛刻的。

誰說的恆星的核聚變到鐵為止了？

恆星的核聚變到什麼時候為盡頭，取決於恆星的大小，小的恆星核聚變能力有限，有的到氦，有的到氧，太陽大小的恆星到碳，大的恆星甚至能夠到鈾，更大的恆星能夠產生更重的元素。看看地球能夠找到的元素吧，都是恆星產生的。

可能有些人會有疑問，不是說重元素聚合的時候需要大量的能量嗎？要知道巨大的超級恆星是不缺少壓力和能量的，它們連黑洞都能夠產生，合成一些重金屬還不是玩一樣。

恆星最後到什麼程度，合成出什麼元素，取決於恆星的大小，沒有到鐵為止的說法，如果有人這么說或肯定這種說法，不過是想當然而已。

10. 東方超環EAST為什麼能夠承受1億攝氏度高的溫度

它是等離子體所自主設計研製的磁約束核聚變實驗裝置，目標是讓海水中的氘和氚在高溫條件下像太陽一樣進行核聚變，為人類提供清潔能源，所以也被稱為「人造太陽」。

近期，有「人造太陽」之稱的全超導托卡馬克大科學裝置——「東方超環」（EAST），成功實現了1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破。

在可控核聚變時間上，2017年中國的EAST實現了101.2秒的穩態長脈沖高約束等離子體運行，創造了新的高約束模等離子體運行的世界紀錄，今年的核聚變物理實驗重點開展了高功率加熱下堆芯物理機制研究的系列實驗，通過優化穩態射頻波等多種加熱技術在高參數條件下的耦合與電流驅動、等離子體先進控制等，結合理論與數值模擬，實現加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦；在電子迴旋與低雜波協同加熱下，等離子體中心電子溫度達到1億度。