超导托卡马克实验装置东方超环

1. 1.2亿摄氏度燃烧超百秒，人造太阳“东方超环”有何用

5月28日，在中科院合肥物质研究院等离子体所，全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环（EAST）再创世界纪录：实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。

东方超环是什么？

在理解东方超环之前，先要了解托卡马克是什么。托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，它的名字Tokamak，来自于俄语“磁线圈环形真空室”的缩写。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。通电的时候，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

东方超环是中国科学院等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置，是世界上第一个实现稳态高约束模式运行且持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。该装置的主机部分高11米，直径为8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。

由于核聚变的反应原理与太阳类似，因此，东方超环也被称作“人造太阳”。

研究东方超环有何意义？

聚变能由于具有清洁、环保、安全、原材料储量极其丰富等优点，被认为是最终解决人类能源问题的战略能源，但是如何实现稳定可控的核聚变为人所用是摆在全世界科学家面前的一道难题。

虽然鲜为人知，东方超环实际上与我们的生活密切相关。在人类资源日趋紧张、环境日趋恶化的情况下，聚变能是人类未来能源利用的趋势，对大众生活具有重要影响。此次中国人造太阳东方超环刷新世界纪录，意味着人类让核聚变成为未来清洁新能源的努力，又取得了一次突破性进展。

专家：中国原子能科学研究院院士王乃彦

2. 现代的科技发明有哪些

现代的科技发明：全超导托卡马克核聚变实验装置、机器人、太阳帆、3D打印机、自动驾驶汽车。

一、全超导托卡马克核聚变实验装置

国家大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环（EAST）实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的世界纪录。这一重要突破标志着，我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面将继续引领国际前沿。

东方超环是世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置，对国际热核聚变试验堆（ITER）计划具有重大科学意义。由于核聚变的反应原理与太阳类似，因此，东方超环也被称作“人造太阳”。

该成果将为未来ITER长脉冲高约束运行提供重要的科学和实验支持，也为我国下一代聚变装置——中国聚变工程实验堆的预研、建设、运行和人才培养奠定了基础。

二、机器人

机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

三、太阳帆

太阳帆（英文名：Solar sails）是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小，所以航天器不能从地面起飞，但在没有空气阻力存在的太空，这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供 10e－5～ 10e－3g左右的加速度。

四、3D打印机

3D打印机（3D Printers）简称（3DP）是一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种神奇的打印机，不仅可以“打印”一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。但是3D打印出来的是物体的模型，不能打印出物体的功能。

2016年2月3日讯，中国科学院福建物质结构研究所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP） 3D打印机。

该3D打印机的速度达到了创记录的600 mm/s，可以在短短6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60 mm的三维物体，而同样物体采用传统的立体光固化成型工艺（SLA）来打印则需要约10个小时，速度提高了足足有100倍!3D打印实现太空工业化。

五、自动驾驶汽车

自动驾驶汽车（Autonomous vehicles；Self-piloting automobile ）又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车、或轮式移动机器人，是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。在20世纪已有数十年的历史，21世纪初呈现出接近实用化的趋势。

谷歌自动驾驶汽车于2012年5月获得了美国首个自动驾驶车辆许可证，预计于2015年至2017年进入市场销售。

自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。

3. 东方超环的超指的是什么

东方超环的“超”指的是“超出”。
东方超环(EAST)，俗称“人造小太阳”，是中国科学院等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，位于安徽省合肥市科学岛。
2010年12月24日，东方超环2010年度实验结束，已获得1兆安等离子体电流、100秒1500万度偏滤器长脉冲等离子体、大于30倍能量约束时间高约束模式等离子体、3兆瓦离子回旋加热等多项重要实验成果，大大推进了“东方超环”实现其总体科学目标的进程；实验中广泛开展的国际合作，使“东方超环”已成为国际上最重要的高参数长脉冲等离子体物理实验平台。

4. 东方超环的超指的是超大面积吗

“东方超环”中的“超”不是指超大面积，而是指超出（一定的程度或范围）的意思。东方超环(EAST)，俗称“人造小太阳”，是中国科学院等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，位于安徽省合肥市科学岛。
“东方超环”全称为Experimental（实验）Advanced（先进）Superconcting（超导）Tokamak（托卡马克）。“东方超环”是由中国科技工作者独立设计制造的世界首个全超导托卡马克，于2007年3月通过国家验收，其三大科学目标是在未来15年内实现1兆安电流、1000秒放电、1亿度高参数等离子体的稳定运行，为国际热核实验聚变试验堆ITER和中国未来独立设计建设运行聚变堆奠定坚实的科学和技术基础。

5. 人造太阳的原理

人造太阳的原理

人造太阳的原理，万物生长靠太阳。可以说，太阳是地球最大的能量来源，现实中，中国真的有“人造太阳”，而且有两个，一个在安徽合肥，另一个则是位于四川成都。人造太阳的原理。

人造太阳的原理1

人造太阳本质是可控核聚变。

核反映分为两种：核裂变（fission）和核聚变（fusion）。所有的核反应，质子数都是守恒的。

核裂变是指讲一个原子分裂成许多原子，比如铀原子裂解成氪原子和钡原子（n+U→Kr+Ba+3n，n表示中子）这个过程中可以放出能量（只有在铁以后的元素裂变后放出的能量大于裂变所需要的能量，也就是说铁以后的元素进行核裂变才有意义）。目前人类掌握可控核裂变的能力，核电站便是其应用。

核聚变是指将不同的原子结合到一起变成一个原子，比如氢的两个同位素

氘氚结合形成氦原子（D+T=He+n，其中n表示中子，D表示氘，T表示氚）这个过程中同样可以放出能量（只有在铁以前的元素聚变后放出的能量大于聚变所需要的能量，也就是说铁以前的元素进行核聚变才有意义）。核聚变不会产生辐射污染。人类目前不掌握长时间可控核聚变的能力。氢弹是核聚变，确实不可控核聚变，而且氢弹需要原子弹（原理是核裂变放出大量能量）的爆炸进行引爆（这也是为什么虽然核聚变不会产生辐射污染，但是氢弹的引爆还是会产生辐射污染的原因）。太阳也是核聚变。为什么人类掌握了原子弹很快就造出了核电站，研究出了氢弹却迟迟做不出可控核聚变呢？

因为核聚变需要在极高的温度下才能够进行， 核聚变的反应基本步骤如下：

把反应所需要的混合气体加热到等离子态，使原子核和电子能够自由移动，大约需要十万摄氏度。

继续加热使原子核加速运动，从而在与其它原子核碰撞时结合成一个更大的原子核，需要上亿摄氏度。

没了。

听上去好像挺简单，但是在哪有能够承受上亿度的材料来做反应堆呢？

打个比方，核反应就像一个稳定的投资，方案A：投资10万，回报100万；方案B：投资1亿，回报1000亿；A方案就相当与核裂变，B方案相当于核聚变；听上去B方案多划算，赚的又多，回报率又高，但是关键是你没有1亿啊。

感谢全世界科研工作者的努力，现在已经有很多可行的思路。

最早的著名方法是"托卡马克"（TOKAMAK）型磁场约束法（也是现在最主流的方法）。它是利用通过强大电流所产生的强大磁场，把等离子体

约束在很小范围内使机器设备不需要直面上亿摄氏度的反应以实现上述三个条件。目前已经可以成功运行，但是运行时间极短远达不到应用的地步。我国大型托卡马克

装置"东方超环"EAST，维持上亿摄氏度运行10秒。这已经是目前世界上最好的成绩，但离应用还有很长的路要走。而且按照现有的技术水平，要建立托卡马克型核聚变装置，需要几千亿美元。

另一种实现核聚变的方法是惯性约束法。惯性约束核聚变是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压（反作用力是一种惯性力

，靠它使气体约束，所以称为惯性约束），就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度（大概需要几十亿度）时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程时间很短，只有几个皮秒（1皮等于1万亿分之一秒）。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的`发电站。 原理上虽然就这么简单，但是现有的激光束或粒子束

所能达到的功率，离需要的还差几十倍、甚至几百倍，加上其他种种技术上的问题，使惯性约束核聚变仍是可望而不可及的。

尽管实现受控热核聚变仍有漫长艰难的路程需要我们征服，但其美好前景的巨大诱惑力，正吸引着各国科学家在奋力攀登。

人造太阳的原理2

有一部小说叫《中国太阳》，讲的是农村小伙儿水娃不断奋斗，借助“中国太阳”工程成为深空宇宙开拓者，为人类解决能源问题的故事。

现实中，中国真的有“人造太阳”，而且有两个：一个在安徽合肥西郊“科学岛”上的中国科学院合肥物质科学研究院内，是有着“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(简称EAST);另一个则是位于四川成都中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号M装置(HL-2M)。

5月28日，“东方超环”再次刷新了世界纪录：在其第98958次放电中，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，是1亿摄氏度20秒原纪录的5倍。这意味着人类让核聚变成为未来清洁新能源的努力，又一次取得了突破性进展，标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域将继续引领着国际前沿。

理想的“终极能源” 一旦掌握了核聚变能，人类将实现“能源自由”

煤、石油、天然气，这些人类赖以生存的不可再生能源终有一天将被耗尽。人类面临着严重的能源危机和环境危机。如何从根本上解决这一问题?寻找新能源。

万物生长靠太阳。可以说，太阳是地球最大的能量来源，它的表面温度约6000摄氏度，内核温度约1500万摄氏度，像一个熊熊燃烧的大火球，每秒钟可散发出相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量。

太阳为什么能产生这么大的能量?因其内部持续不断的核聚变反应。而支撑这种聚变反应的主要原材料氘，在地球上的储量极其丰富。

据测算，从1升海水中提炼出的氘，经核聚变反应后释放的能量相当于300升汽油燃烧的能量。而海洋中蕴藏着约40万亿吨氘，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎无穷无尽。

由此，模仿太阳聚变反应原理造一个“太阳”，被科学家们认为是解决人类能源危机的最佳方案。

核聚变的原理是由质量较小的原子——如氢的同位素氘、氚，在极高温条件下使核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核相互碰撞聚合，生成新的质量更重的原子核氦，由于质量亏损和质能转换，释放巨大的能量。

“简单来说，地球上‘最容易’实现的氘氚核聚变反应的最终生成物是氦和携带能量的中子，而氦是非常清洁的。”中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的鄢容博士告诉记者，这是一种清洁能源，没有碳排放，没有放射性废料，也不会出现燃料棒熔断的灾难，比风能和太阳能稳定，被认为是一种理想的“终极能源”。“一旦掌握了核聚变能，人类将实现‘能源自由’。”

人造太阳的原理3

所谓的“人造太阳”，是对“受控核聚变实验装置”的形象性的称呼。

我们知道，太阳这类恒星之所以能够发出巨大的能量，是因为在恒星中时刻都在发生着氢聚变为氦的核聚变反应。人类制造出的氢弹，就是不受控制的核聚变反应。核聚变反应产生出巨大的能量，而要让核聚变反应产生的能量为人类所用，就必需要让核聚变反应在受到控制的条件下发生，让反应强就强，让反应弱就弱，让反应停止就能停止，就象现在的核电厂一样。只是现在的核电厂用的是核裂变反应产生的能量，而不是聚变。

但由于核聚变反应使用的原料是氢，是气体，发生反应时，压力要非常大，温度高达5000万度以上，没有材料能够承受这么高的温度和压力。所以科学家就设计了一种装置，让高温高压状态下的氢气由高磁场束缚住，不让它乱跑，也不让它与周边的材料接触，以免材料在高温下融化。同时又在高磁场条件下，能够把核聚变产生的能量引导出来，用来发电。

由于这个装置产生的核聚变反应与太阳等恒星上发生的反应类似（虽然也是氢核的聚变反应，但并不完全一样），所以就形象地把这个装置称为“人造太阳”。

地球上的资源总有一天会枯竭，加上生态环境持续恶化。面对人类离不开的能源需求，如何才能够得到充分的保障与满足，以及环境保护。寻找与开发新的清洁能源，将成为一种战略必然。在此大背景下，通过核聚变原理技术，制造人造太阳变现成安全能源，已成为未来清洁能源的一个选项。一旦成功，将会给众多领域带来跨越性进步，比如：航天、电力等。

6. 中国人造太阳

“人造太阳”只是对“受控核聚变装置”的形象的说法，并不是造出一个挂在天上发光发热的球体。

中国的人造太阳也叫“东方超环”，是全超导托卡马克核聚变试验装置，被称为“人造太阳”。该装置由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，也是中国第四代核聚变实验装置。

这个装置的目标是，让海水中大量存在的氘和氚在高温高密度条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源。这被视为进入第四次工业革命的最强大的基石之一。

科学家测算，1升海水含有0.03克氘，产生的聚变能源相当于300升汽油。海水中共有超过45万亿吨氘，释放的能量够人类使用上亿年。更重要的是，核聚变反应的产物是氦元素和中子，不产生任何有害物质，堪称完全清洁的能源。但“人造太阳”至少满足“极高的温度”与“充分的约束（在太阳上是靠引力约束的，地球上缺少这种条件）”两个苛刻条件，才能实现核聚变反应永续进行，并为人所用。

2017年7月，“东方超环”在世界上首次实现5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，实现了从60秒到百秒量级的跨越，创造了核聚变的世界纪录。

2018年11月，“东方超环”首次实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦。在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，等离子体中心电力温度首次实现1亿摄氏度运行近10秒，获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件。

中国的托卡马克核聚变试验装置

7. “人造太阳”如能永耀，人类将彻底解决能源问题

太阳的聚变反应，靠重力约束，但仍然需要巨大的空间，才能容纳这样一个高温物体。 （东方IC/图）

2021年5月28日，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，该成绩打破了2020年年底韩国创造的1亿摄氏度20秒的纪录，将时间延长了5倍。科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性，也为迈向商用奠定物理和工程基础。这是人类掌控核聚变的又一次成功突破。

核聚变，指轻原子核，例如氢的同位素氘和氚，聚合为较重原子核，例如氦。聚变过程，会损失一定质量，根据爱因斯坦质能方程，这些质量会转变为巨大的能量。热核聚变是宇宙中的常见现象，太阳就是一个巨大的热核聚变反应炉。

人类对核聚变认识，差不多有100年了。1932年，马克·奥利芬特完成了氢同位素的实验室聚变。20年后，1952年，氢弹试验成功。氢弹是人类 历史 上第一次利用核聚变。不过，这种方式是剧烈的、不可控。其实，单单可控，人类也能做到，但这样的聚变反应，输入能量大于输出能量，得不偿失，而且时间也极短，所以，不能用来发电。要想聚变被用来发电，不但要可控，还要输出能量大于输入，并且持续、平稳。

太阳的聚变反应，靠重力约束，但仍然需要巨大的空间，才能容纳这样一个高温物体。太阳表面的日珥，高于日面几十万千米，而地球的直径才1.2万多千米。即便如此，没有磁场、大气层的保护，地球生物仍然承受不了太阳核聚变所发射的射线。显然，地球上没有那么大空间，要想实现大规模的聚变，还得想其他办法。

核聚变发生时，是等离子状态，温度达到几千万度甚至几亿度。没有任何容器可以承受这样的高温。那么，一个思路就是用一种无形的力去约束等离子体。人类想到的办法是磁场。

从1940年代末起，各国对聚变发电可行性展开了大量研究，投入大量的人力与经费，开发了多种磁笼。到了1970年代，苏联科学家伊戈尔·塔姆、安德烈·萨哈罗夫和列夫·阿齐莫维齐等人在1950年代发明的“托克马克”（Tokamak）逐渐显示出了优势，并在1980年代成为聚变能研究的主流。托克马克的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，并加以约束，达到受控核聚变的目的。

此次合肥的EAST于2000年开建，2006年建成，是由中国自行设计研制的，又被称为东方超环。EAST的一系列里程碑成果表明，中国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面，开始引领国际前沿。

不过，核聚变所要求的技术、资金、人力是如此之大，往往是一国所难以独力承受的。

1970年代后期到80年代中期，美国、日本、俄罗斯、欧洲陆续建成了五个大型的托卡马克装置。1985年，里根-戈尔巴乔夫倡议苏联、欧盟（通过欧洲原子能共同体）、美国和日本平等地参与建设ITER。2006年5月24日，欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯和印度7方代表草签了一系列相关合作协议，标志着这项计划开始启动。ITER是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，也是国际 科技 合作史上前所未有的。它的建造周期很长，计划耗资五十亿美元（1998年值）。

需要指出的是，ITER的目标是实现氘氚放电自持300-500秒，预期功率到500MW。但这仍然是一个实验，离商业化还非常遥远。

可控聚变被认为能为人类带来无限的清洁能源，远景规划非常诱惑人。然而，遗憾的是，过去几十年，在投入了无数资金之后，科学家取得的成就非常有限，实用性的商业价值，还遥不可及。研究聚变的物理学家中流传着一个很久的笑话：新闻界又开始报道核聚变技术，要在30年后进入实用阶段、核聚变工厂即将开工的消息了。

媒体难免夸张，是因为前景太过美好。

人类的工业 历史 ，无非是挖矿、种植，得到原材料，然后引入能量制造产品。挖矿本身需要能量，而种植无非是把太阳能变为碳的化合物。所以，人类的生活本质上是由利用能量的程度决定的。而核聚变，可以提供廉价、清洁的能源，一旦实现，势必从根本上改变我们的生活。

比如，一些高耗电的行业就没有了电力的限制，势必会发生变革，例如钢铁、化工等产业。电力成本降低，整个产品成本也随之降低。而煤炭、原油行业，逐渐被替代，地球环境也会更好。再比如现在的电动 汽车 被一些人溢美为“新能源车”，但有的能源的来源一点都不新，电力仍以化石燃料为主。只有当可控核聚变真正占据能源供应的主流时，以此能源的新能源车才实至名归。

前景如此美好，人类翘首以盼，但前路遥远，道阻且艰，还有待科学家的努力， 探索 那无尽的前沿。

（作者系上海金融与法律研究院研究员）

（本文仅为作者个人观点，不代表本报立场）

刘远举

8. “人造太阳”东方超环再创新纪录，我国的东方超环到底多厉害

有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST东方超环）在本月初，已经开启了新一轮的实验。此次实验建立在对上一轮实验结果的总结以及对 EAST 辅助加热等系统升级改造的基础之上，目标是让“人造太阳”向着更“热”更“持久”发起冲击。

我们拥有一个共同的梦想，那就是寻求一种无限而清洁的能源，从而实现人类的永续发展。如果说“夸父追日”是古人战胜自然的美好愿望，那么东方超环则代表了今人把梦想变为现实的努力。

EAST是由国家发改委批准立项的“九五”国家重大科技基础设施。中国聚变工程实验堆目前已完成工程设计，聚变堆主机关键系统综合研究设施正在建设。按照中国核聚变“三步走”的规划，中国极有可能成为世界首个建成核聚变实验电站的国家。

9. 为什么核聚变到产生铁元素时就停止了

就像我们的太阳一样，所有恒星都是通过核聚变来发光发热的，这是因为聚变的过程中会释放能量，恒星通常都是从氢元素开始聚变，由氢元素聚变成氦元素，通常为四个氢原子聚变成一个氦原子，但是巨变之后的氦原子比4个氢原子的质量要小，这说明在这一过程中会有质量损失，而损失的质量正是转变成了能量。

通常大质量恒星从氢元素开始聚变成氦元素之后，会顺着元素周期表一路向上聚变，因为氦元素可以聚变成锂元素，接着铍元素，硼元素等一直聚变下去，直到出现铁元素的时候，这个恒星的死亡时刻就会到来，因为一旦铁元素在恒星内部开始出现，就代表着超新星爆发要开始了，这颗恒星会发生剧烈的爆炸，之后转变成一颗中子星或者黑洞。

那么为什么进行的铁元素的时候，恒星内部的核聚变就不能再进行下去了呢？原因说起来也简单，就是铁之前的元素再聚变成铁元素的时候已经不是能量释放状态了，而是需要吸收能量才可以做到。

为什么铁之前的元素聚变的时候可以释放能量，但是铁元素就不能再释放能量而需要吸收能量了呢？这里就必须得说一下中子的形成了，当一个质子和一个电子合成中子的时候，它是需要吸收能量的，因此中子的质量通常要比一个质子和一个电子相加之和要大。

铁原子的构成是26个质子26个电子和30个中子，合成如此多的中子需要吸收大量的能量，因此合成铁元素需要吸收的能量已经超过了低级元素据变成铁元素原子核释放的能量，所以当恒星内部出现铁元素的时候，就代表着这颗恒星内部需要吸收的能量已经超过了其释放的能量。

当恒星内部不再释放能量的时候，它的内部辐射压将陡然减少，巨大的引力压缩之下，所有的物质都会向核心集中，因此恒星塌缩现象就发生了，而且这样的事情只发生在一瞬间，巨大的质量会将恒星的中心元素进一步聚变，所以这一瞬间也会产生铁以及铁以上的很多元素，而且这些元素都是需要吸收能量的，恒星的中心会产生1000亿度的高温，在剧烈的高温高压之下就形成中子星，而当中子星形成之后，继续坍缩的物质撞击到中子星的表面就会被反弹出去，从而也就会发生剧烈的超新星爆发现象了。

如果恒星中心但温度更高压力更大，温度超过3000亿度，那么很可能就会产生黑洞了，产生黑洞的超新星爆发的时间通常都很短暂，因为黑洞会迅速吸收发生超新星爆发的恒星的物质，几乎会将整个恒星都吸入其中。

首先，很多人一提到核聚变，第一反应是它能释放出巨大的能量，但你有没有想过为什么会发生核聚变？ 原因就是必须要使用本身的能量，然后发生核聚变释放出更大的能量。

所以要想发生核聚变，必须有足够的很大的能量才可以达到！ 太阳为什么能持续不断地发生核聚变？就是因为太阳巨大的质量产生的万有引力让物质向内塌陷产生超高的温度和压力，继而引发了核聚变！

那么为什么恒星聚变到铁就停止了呢？ 因为铁比较特殊，铁是自然界最稳定的元素，核聚变到铁元素过程中吸收了大量能量，但不能释放出了能量了（因为铁最稳定），于是在聚变成铁的过程中能量几乎被消耗殆尽，没有足够的能量当然不会让核聚变继续下去！

而超新星爆发正是在聚变成铁元素后，能量几乎被消耗殆尽的时候发生的。我们都知道恒星之所以很稳定，就是因为核聚变产生的向外巨大推力与恒星质量向内的万有引力取得了平衡！

而如今聚变成铁元素的过程中消耗了巨大能量而没有释放能量，核聚变停止了就没有力量与万有引力抗衡，于是恒星几乎所有的物质在万有引力的作用下急剧向内坍缩！

向内坍缩的速度非常快，撞击铁质内核，因此产生巨大的能量，能量几乎全部施加到铁质内核上，铁元素有了足够的能量再次引发了聚变，聚变成更重的元素！

这个过程是非常短暂的，而恒星物质撞击铁核产生的巨大反作用力把铁核以外的物质抛向太空，这就是超新星爆发，非常壮观！

铁元素后，核聚变依然能进行。只是聚变将不再释放能量，而是吸收能量。

所以恒星内的核聚变当聚变到铁后（准确的说应该是镍-62，但镍最后都会变成铁），因为不再释放能量，恒星的平衡被打破，核聚变也就进行不下去了。

为什么铁之后的聚变要吸收能量？因为铁的 比结合能 最高。

解释比结合能前，先了解什么是结合能？

结合能不是元素原子核拥有的能量，只是要拆开（裂变）或组合（聚变）原子核时需要吸收或释放的能量。原子核里核子数（质子与中子都是核子）越多，结合能越高。

而比结合能=结合能 核子数，也叫 平均结合能 。结合能与比结合能之间的关系，相当于GDP与平均GDP之间的关系。

就像GDP再牛也没什么意义，主要得看平均GDP一样，所以核聚变的重点是看比结合能而不是结合能。

铁的比结合能最高，意味着铁是最稳定的元素。

由于铁元素最稳定，所以如果还要往铁原子核里面挤核子（聚变）就会变得很困难，所以要消耗大量的能量。

上图是元素比结合能曲线图（很多引用说成结合能是错误的，一字之差完全不一样）。从这个图你还可以知道为什么氢弹（氢聚变）比原子弹（铀裂变）威力大。

其实还可以通过爱因斯坦的质能方程：E=MC²，来解释铁之后聚变为什么会吸收能量。

因为铁之前的元素，也就是轻元素的聚变会损失质量，所以释放能量，而铁之后的元素，也就是重元素聚变会增加质量，所以会吸收能量。

为什么吸收能量，恒星内的核聚变就进行不下去了？

因为恒星是引力与核力之间微妙平衡的产物。

核聚变释放能量对外形成压力，与恒星自身引力平衡，恒星才能稳定存在。

从氢元素开始，引力的压缩使得恒星内部达到了开始聚变所需的高温，核心先吸收能量再聚变释放出更大的能量，释放的能量再为下一次聚变提供能量再释放，循环往复。

但当恒星内部发生铁聚变时，不仅不会释放能量，还会迅速消耗掉恒星的能量，造成恒星坍缩然后引发核爆炸，就是超新星爆发。

而最小规模的超新星爆发所释放的能量比太阳100亿年中放出的能量总和的100倍还多。

强大的能量瞬间在宇宙中形成一个超级反应炉，聚变出所有的元素，包括铁以后的重元素。

然后在恒星的原地会出现一颗中子星或黑洞。

总结一下

恒星一旦铁了心想死，拦都拦不住。

在科学界，铁聚变被称为“恒星杀手”，终止的是恒星内的核聚变，但开启的是生命起源的超新星爆发，反而加速了宇宙产生所有元素并抛撒元素的进程，把孕育生命的时间大大缩短，不然又怎么会有今天的地球，和地球上的我们。

这是一个很有意思的问题，核聚变是恒星生命走向衰亡必须经历的过程，也是化学元素形成的原因。从氢聚变一直持续到铁聚变，恒星走完了它的一生。

但是很奇怪的是为什么恒星到铁聚变后，就没有继续下去，没有形成其他的重金属呢？

那是因为前面这些元素的核聚变都会释放能量，但是铁聚变时是大量吸收能量，因为铁原子的稳定性太强了，要增加一个原子要有很大的能量注入。

恒星的能量在铁聚变中被消耗殆尽，所以走向死亡。铁元素是核聚变的一个重要分水岭。所以铁元素被科学家戏称为恒星杀手。

其他重金属的产生要等到中子星相撞时，中子星是比较大的恒星在铁聚变后因为恒星内部引力塌陷发生超新星爆炸后的产物。两颗中子星撞击后有1%的质量会变成重金属，也就是我们今天说的金、银、铜、铂等。我们地球上的重金属都是形成在宇宙中几十亿年前的中子星相撞事件，它们飘散在宇宙空间里，也进入了地球的地核中。

这个涉及的能量的释放和吸收问题。以铁原子为界限，原子序数小于铁的核聚变是释放能量的，此时的核聚变称为氢核聚变，也称为热核聚变。恒星释放光热能量，发生的就是可控热核聚变。

而大于等于铁核聚变的核聚变是吸热的，属于重核聚变。在恒星星核内，氢核聚变的末期，已经产生了很多的重核（铁核），这个时候下，可反应的氢核数量较少，释放的核能量也较少。或许这时候释放的能量可以支持少量的重核发生核聚变，但是随着氢核的完全反应，已经没有能量支持重核反应了。所以，恒星的核反应也就聚变到铁核为止。当然了，这个过程中还是有少部分比铁核重的元素形成，要不宇宙中怎么会有铁核以上的元素呢？

当然，更重的元素，就需要极端的天体事件才能形成。例如金元素，据猜测就是在中子星合并已经超新星爆炸的时候产生的，因为只有这种极端环境下，才有足够能量和压力，支持重核聚变产生重金属元素。

大质量恒星的核心通过核聚变反应会逐渐合成越来越重的元素，这些元素会在中心逐渐富集。当铁元素被合成出来之后，它们也会集中到恒星的中心。然而，不像题主在问题描述中所设想的那样，铁周围的那些情核元素是无法再进行核聚变的，因为反应所需的温度和压力是不够的。而至于为什么当恒星合成出铁之后，核聚变反应将会宣告终止，这与恒星本身的动态平衡有关。

恒星需要源源不断的核聚变反应来向外辐射出巨大的压力，以此才能对抗自身的重力，这种流体静力学平衡贯穿恒星演化周期的大部分时间。之所以核聚变反应能够不断维持下去，是因为它们产生的能量要比吸收的能量更多，所以总得来说，恒星是在净输出能量，在铁之前的元素都符合这种过程。

然而，到了铁之后，其比结合能达到了极大值，这要大于比铁更轻和更重的元素。因此，铁的核聚变反应是在净吸收能量，因为该反应产生的能量少于吸收的能量。这样就会使恒星的重力占据主导作用，流体静力学平衡被打破，导致恒星内部受到强烈挤压而引发剧烈的超新星爆炸。

从这里可以看出，恒星的核聚变反应在产生铁元素之后并没有停止，而是铁还会进一步发生核聚变反应，结果会产生更重的元素，比如镍：

只是铁的核聚变反应会迅速消耗巨大的能量，这会导致恒星在短时间内失去平衡，最终发生超新星爆发。此后，铁会俘获中子继续合成其他重元素。

1:由于质量不够大，白矮星内部只能产生元素周期表中铁以前的元素，这时太阳就成了宇宙中的一颗死星。现在开始扩大质量，如果恒星的质量是太阳的40倍或更高，那么以上的过程就会更加迅速，此时恒星叫做超红巨星，恒星内部自然可以产生铁元素以前的元素，并且是一颗混合星，但是当产生元素的进程到达铁元素时，熔合过程不能产生大量能量，经过几十亿年后这个巨大的核熔炉就会关闭；

2:但此时的恒星质量还是非常大，在巨大的引力下，恒星内部开始坍缩，电子将倍被压进原子核，这时恒星的密度是水密度的4000亿倍，温度将达到万亿度，由此恒星开始爆炸形成超新星，巨大的热量将合成铁以后的重元素，这就是重金属元素的形成过程。

在这里我们可以想到，地球上有大量的铁矿石，在地球形成之前，就有一颗已经死亡了的超新星，其抛出的陨石碎片内含有铁矿石，然后被太阳的引力俘获形成今天的地球。所以，地球上的重金属元素基本都是死亡的恒星合成的，只有当恒星的引力大到可以将电子压入原子核时，恒星的核聚变进程才能持续到铁以后的元素。

恒星能够源源不断地放出热量是因为发生了自持式聚变反应，敲黑板，重点是 自持式，这才是考点。

图释：上图为我国合肥等离子所的“人造太阳”超导托卡马克实验装置

在我国的超导托卡马克实验装置东方超环（EAST）实现持续放电101.2秒，这个已经是世界最长的记录了，此前的记录是60秒，就是因为反应不能自持下去， 或者说外界输入的能量大于核聚变输出的能量，铁的聚变即是如此。

铁也可以发生聚变反应，当能量和压力满足聚变反应的条件，铁仍然可以发生聚变反应，只是因为 铁的平均结合能是目前发现得元素当中最大的 ， 维持铁核聚变反应消耗的能量要大于铁核聚变反应放出的能量，即铁不能发生自持式聚变反应。

图释： 上图为元素的比结合能曲线 ，从图中可看出铁的比结合能是最大的，即将铁核分散成单个核子所需要的平能能量是最大的。

当铁核聚变将恒星储存的能量消耗殆尽之后，维持聚变的高温环境将不在，恒星便不能再继续发生聚变。

核聚变

首先，我们要搞清楚什么是核聚变反应？

实际上，核聚变反应就是指原子核相互结合的一种反应，两个比较小的核结合成一个更大的核，因此也被称为 核融合 。宇宙诞生之初，主要的元素就是氢和氦，这两个元素是元素周期表最靠前的两个元素。

并不是说，在那个时候没有形成原子序数更高的元素，只是因为那些元素还不够稳定，因此，又裂变为氦原子核了。我们从元素周期表中也能看出，原子核比氢原子核和氦原子核大的元素原子核多了去了，现在的元素周期表都已经可以排到110多位，而且还没有达到尽头。也就是说，宇宙诞生之后，在宇宙中形成了许多大的原子核，铁元素原子核算是其中的一员，但并不是最大的原子核。因此，核聚变到产生铁元素就停止是不合理的。如果是这样，那元素周期表到达铁元素就应该停下来。那核聚变到底是到哪会停下来呢？

实际上，至今我们也不清楚，关于元素周期表的尽头到底在哪，至今也没有一个靠谱的理论可以给出答案。但就目前来看，想要合成比铁更重的元素，只要能量给到足够高就可以做到。不仅我们人类可以做到（但做不到大批量的），如今我们已经能合成到118号元素了。

在宇宙中的一些极端条件下也能做到。人类的方法其实就是通过实验来合成。那宇宙中是如何合成比铁元素原子序数更大的元素的呢?还有为什么铁元素是一个经常被人提及的元素呢？

今天，我们就来详细说说这两个问题。

恒星核聚变

在宇宙中，合成比氦元素更大号的元素主要依靠的就是恒星。恒星的内核可以发生核聚变反应。一般来说，由于氢原子核的核聚变反应所需要的门槛是最低的，而且构成恒星的主要元素也是氢元素，因此，恒星的氢原子的核聚变反应会先被点着， 4个氢原子核通过核聚变产生氦原子核 。

为何铁元素是一个节点？

当氢原子核被消耗得差不多时，只要恒星的质量足够大，就可以继续点燃氦原子核的核聚变反应，生成碳原子核和氧原子核。同样的，只要质量足够大，就还可以继续引发碳原子核，氧原子核的核聚变反应。于是，你很容易发现，这个过程其实就是沿着元素周期表从小到大的方向演化，最后一直到铁元素。

之所以铁元素是一个节点，是因为铁是已知的所有元素中最稳定的元素（从原子核的层面来看）。我们也把铁元素称为是比结合能最高的元素。这就意味着，要让铁原子核发生核聚变反应是非常困难的。原子序数小于铁元素的原子核都可以通过核聚变反应释放能量，同样的，原子序数大于铁元素的原子核都可以通过核裂变反应释放能量。它们都有向铁方向靠的趋势，这是因为，在宇宙中，万物都有一个趋势，那就是趋向于稳定。

如何合成原子序数比铁更高的元素？

要让铁元素发生核聚变，并不是不可能。但是这需要极为苛刻的条件，而且是一笔赔本的生意，整个过程要输入大量的能量，而释放的能量很少，输入要远比输出大。在恒星内核中其实很难实现，一般来说，只有两个极端的天文学现象才可以实现。

首先， 超大质量恒星演化到末期时，会爆发超新星爆炸，在这个过程中，就可以形成原子序数大于铁的元素 。

超新星爆炸是十分壮丽的天文学现象，它的亮度常常会达到一个星系的亮度，如果距离我们不算非常遥远，我们甚至可以在白天看到它。而超新星爆炸之后，常常会留下中子星或者黑洞。

而远比超新星发生的概率还低的是中子星合并，其实就是两颗中子星相遇了，然后合并到了一起，这个过程中也会形成大量的高顺位元素，比如：金。

在宇宙中， 超新星爆炸已经算是不经常能见到的现象了，中子星合并更是少之又少，这也是为什么金元素很少的原因 。所以，我们会发现，想要让铁元素发生核聚变反应真的是一件非常难的事情，但并不是说铁元素不能发生核聚变反应，事实上是可以的，只要条件要给够就可以。不过这个条件是极为苛刻的。

谁说的恒星的核聚变到铁为止了？

恒星的核聚变到什么时候为尽头，取决于恒星的大小，小的恒星核聚变能力有限，有的到氦，有的到氧，太阳大小的恒星到碳，大的恒星甚至能够到铀，更大的恒星能够产生更重的元素。看看地球能够找到的元素吧，都是恒星产生的。

可能有些人会有疑问，不是说重元素聚合的时候需要大量的能量吗？要知道巨大的超级恒星是不缺少压力和能量的，它们连黑洞都能够产生，合成一些重金属还不是玩一样。

恒星最后到什么程度，合成出什么元素，取决于恒星的大小，没有到铁为止的说法，如果有人这么说或肯定这种说法，不过是想当然而已。

10. 东方超环EAST为什么能够承受1亿摄氏度高的温度

它是等离子体所自主设计研制的磁约束核聚变实验装置，目标是让海水中的氘和氚在高温条件下像太阳一样进行核聚变，为人类提供清洁能源，所以也被称为“人造太阳”。

近期，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克大科学装置——“东方超环”（EAST），成功实现了1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。

在可控核聚变时间上，2017年中国的EAST实现了101.2秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造了新的高约束模等离子体运行的世界纪录，今年的核聚变物理实验重点开展了高功率加热下堆芯物理机制研究的系列实验，通过优化稳态射频波等多种加热技术在高参数条件下的耦合与电流驱动、等离子体先进控制等，结合理论与数值模拟，实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦；在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度达到1亿度。