都市之神话科技 可控核聚变

1968年，苏联公布了一种基于托卡马克构型的磁约束核聚变装置T-3，实验显示其内部的燃料可以达到惊人的800万度，这一结果，轰动了全球聚变界。

不过，虽然技术最早是苏联提出的，但核聚变的世界纪录在天朝

（全超导托卡马克装置合肥）

2017年7月3日晚，位于安徽合肥的中科院等离子体所的全超导托卡马克装置（EAST）实现了101.2秒稳定长脉冲高约束等离子体运行，这是世界上第一个实现稳定高约束达到百秒量级的托卡马克装置，这一超长稳定约束时间创造了世界纪录。

在物理学中，核聚变反应发生的必要条件被称为劳森判据，这一用于判定是否发生了核聚变的条件，可以简单概括为一个不等式，即聚变反应燃料的密度、温度、约束时间的乘积必须要大于一个很大的值。太阳之所以是个炙热的火球，就是因为其表面时时刻刻都在发生着这种核聚变，也因此，地球上的可控核聚变工程才有了“人造太阳”的昵称。

要想发生核聚变，就得达到劳森判据。而当反应温度达到核聚变需要的几千万摄氏度时，核燃料氘氚原子早已分裂成电子-质子的等离子形态，因此，世界各国研发托卡马克聚变装置的目的就是，比赛看谁的装置能稳定约束住它们，使其乖乖地不乱跑，并且约束的时间越长越好。

所以，天朝的EAST在2017年创造的101秒的高约束时间自然就拔得了头筹。也就是说，我们国产的“高压锅”质量更好，科技含量更高，里面的“排骨”炖得更烂。

（天朝HL-2A托卡马克装置成都）

天朝核聚变新的征程——CFETR

相比于各国核竞赛、太空竞赛等“闭门造车”式的发展，核聚变却需要全世界共同建造，这也从侧面印证了可控核聚变的技术难度实在是太高了。所以，2006年，中美欧俄日韩印七方共同签约，决定在法国Cadarache建造国际热核聚变实验反应堆。

由于众所周知的原因，国外的工程项目进度和天朝比起来，都慎之又慎，原计划于2020年建成通电的项目，最近又推迟到2035年。鉴于此，天朝科研人员在深度参与ITER的同时，又另起炉灶提出了一项雄心勃勃的计划——打造属于天朝人自己的聚变工程实验堆。

这件事和最近比较火热的一则新闻对比来看，会更有意思。服役将近30年的国际空间站预计将于2024年退役，届时，天朝的空间站将成为在轨运行的唯一一个空间站，天朝已正式开启天朝空间站国际合作，盛情邀请世界各国积极参与。

是不是很类似？在这种极具挑战性的大科研装置中，天朝都是以一己之力在和一个名为“外国”的国家你追我赶。就在外国因为经费问题相互扯皮的时候，天朝已经脚踏实地地集中力量办了大事。

根据目前公开的资料，CFETR在借鉴ITER现有的物理和技术基础上，将主要研究稳态燃烧等离子体特性和控制燃料氚的自持、聚变发电、聚变堆材料等重大科技问题。除此以外，CFETR还将演示连续大规模聚变能安全、稳定发电的工程可行性，与ITER装置实现互补。

具体来说，有以下几点：

（1）CFETR托卡马克装置将继续采用全超导托卡马克技术路线，吸收消化ITER的技术。

CFETR体积约为ITER的85%，其中它的装置的大环直径将达到11.4米，小环直径3.2米，在装置尺寸缩减的同时，还要保持环内等离子体电流达到10兆安，纵向磁场5特斯拉，氚再生比例大于1.2。

（2）CFETR装置在建设方面将采用ITER70%的技术积累，但在此基础上弥补了ITER装置时间短、燃料氚不能自持不能发电等功能。

考虑到CFETR需高参数稳态运行，单独靠欧姆变压器的磁通变化是不能将环向电流长期维持下去的，因此，天朝的CFETR装置将采用电子回旋共振加热、低杂波电流驱动、中性束注入和离子回旋共振加热等四种辅助手段对等离子体进行电子加热和非感应电流驱动。

（3）CFETR装置一期在物理上将实现较为可靠稳妥的科学目标，聚变能输出功率达到200兆瓦。二期工程，将充分利用国内外最先进的经验和科学实验结果，通过堆内部件的升级，在同一个实验堆上实现大于1000兆瓦聚变能的输出，反应产出比这一关键指标的“Q值”将实现大于25，也就是说每消耗1份能量，将会得到25份能量，而ITER才仅仅为10。

（ITER核聚变装置剖切图）

CFETR要实现的目标是最小聚变功率为50-200兆瓦，且年聚变燃烧时间在大于0.3-0.5秒条件下，实现稳态或长脉沖运行，验证聚变堆系统的氚自持，通过利用CFETR来探索满足DEMO级别装置要求的包层与偏滤器设计，探索利用远程遥控进行方便更换的方案，探索获得DEMO级别聚变电站许可文件的技术途径。

从19世纪末汤姆逊发现电子以来，人类逐步揭开微观原子世界的奥秘。此后随着各种放射元素的发现以及爱因斯坦著名质能方程的提出，为最终人类实现核能的应用奠定了可靠的科学基础。1942年世界第一座核反应堆在米国诞生，随后人类就加速了核能的应用进程，不过可惜的是首先应用于战争与武器，这就是米国在日本投下两颗迄今唯一用于实战的原子弹，随后才是1954年世界第一座商用核电站在前苏联建成。

核能有三种形式，分别是核裂变、核聚变和核衰变，其中能为人类提供大量能量的是裂变能和聚变能。根据爱因斯坦的质能方程，只要核反应前后有质量上的衰减，就会释放巨大的能量，核裂变是较重的原子核分裂之后出现质量损失而产生能量，而核聚变则相反，是较为轻的原子核聚合在一起而产生质量衰减，两者一分一合，只是反应方式不同。

其中较容易实现的是核裂变，而核聚变就比较困难了，因此利用裂变能的核武器原子弹问世要早于利用聚变能的氢弹。然而一般来说核聚变产生的能量比之核裂变更为强大，理论上从质能转换率来看，核聚变为0.7%，而核裂变为0.13%，仅为聚变的四分之一左右。

然而更重要的是核聚变的原料可以从海水中提取，取之不竭用之不尽，而常见的核裂变反应原料铀235储量稀少，另外核聚变几乎不会产生放射性的污染物，清洁安全也是核裂变反应难以比的。这是多么令人类神往的完美能源，要知道我们头顶的太阳就是靠着核聚变反应维持的。所以如何利用核聚变为人工提供无穷无尽的能源，成为人类自发明火（化学能）、电（电能）后实现下一次文明飞跃的关键所在了。

那为什么核聚变能的稳定获取比之核裂变要难得多？其实氢弹也是运用，但那是破坏性的，不能持续为人类文明生存发展提供能源，就姑且不说了。最主要的原因还是两种反应所依据的核物理规律不同。核裂变的原子核质量较大，而且本身不稳定，所以只要常温常压的环境就能实现裂变反应，而核聚变反应则不同，要克服原子核之间巨大的静电排斥力，没有足够的能量或特殊环境，去击破这排斥力的临界点，就无法把原子核融合在一起，从而释放巨大能量。

所以问题关键就到了如何为核聚变创造特殊的高压高温环境。以大自然最常见的核聚变反应——太阳来说，巨大的质量使其内部形成达2000亿个大气压的超高压力，再加上1500万度的温度，就可以把氢原子聚变成氦原子。可是换成人类在地球上来实现这个过程的话，由于这个超高压条件完全无法达到，就只能在高温上下功夫了，所以需要把温度提高到上亿度才行。

好在现在人类用于可控核聚变研究的实验装置，可以实现超高温度和高压环境，比如国际合作的ITER项目和天朝的EAST东方超环装置。那么实现核聚变的前提条件得到满足了，是否意味着后续聚变能就能顺利为人类所用呢？这里牵扯到问题不仅仅是工程技术上，还有一个商业产出的问题。

实际上，现在的实验装置已经算实现了“可控”核聚变，比如合肥的EAST托克马克就在国际上首次实现温度达到5000万度持续100秒以上的放电。然而核聚变过程可控是一回事，而商业利用聚变能又是更高一层的要求。所以必须要按照科学家的精确语言来描述，必须是输出能量大于输入能量，这个比例称为Q值，自然是越大越好，成本花费越少，获得能量越多，这笔买卖才是划算的。因为真正有用的可控核聚变必须要考虑投入产出比。

不幸的是，目前各国的核聚变实验装置，它们的投入产出比即能量Q值，基本上还在0的水平，并不产生能量，只是做做基础研究，个别装置能产生些许能量，但是远小于输入的能量，Q还是在0和1之间徘徊，因此人类追求人造太阳的梦想之路是任重道远的。

不过，有梦想总比做咸鱼好，要知道核聚变可是恒星的能量源，这算是造物主最高的奥秘之一了，人类能够窥视并且一步步接近，已经很是逆天了，再加上如今科学技术的快速发展以及能源危机的逼迫，人类很有希望实现这一文明发展的新的里程碑。

能源是一个文明发展的根基，没有能源，文明无法进步，人类也将无法生存。我们现在利用的能源还是地球在很久以前由动植物演变而来的煤炭，石油，天然气等，可是这些能源有用尽的一天，而且这些能源随着人类科技的不断进步，越来越无法满足科技进步的需求。

人类现在已经开始探索宇宙，传统的矿石燃料等无法满足人类探索宇宙的需求，人类要想实现宇宙大探索，人类文明真正进行星际文明，必须要研究出新的更强的能源才行。宇宙中有非常高大上的能源，那就是反物质，可是反物质对于人类来说太遥远了，现在只是处于理论阶段，离真正实现利用可能没有上千年的时候是不可能的。

但是人类的发展等不了上千年，我们需要寻找到新的能源才行，科学家把目标放到了可控核聚变。人类第一次认识核能的巨大威力是在第二次世界大战，它的巨大破坏力震撼了人们的心灵，原子弹利用的是核裂变，核裂变现在已经实现商用化，但是裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。

核聚变我们知道的是氢弹，它的威力远远强于原子弹，核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年。可控核聚变俗称人造太阳，因为太阳的原理就是核聚变反应。人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。

我们都知道恒星的能量是来源于其内部的核聚变，宇宙中有着像太阳一样的无数的恒星，因此核聚变在宇宙中是非常普遍的现象，宇宙从大爆炸那一刻起，核聚变这一宇宙自然规律就一直存在着，它的能量是巨大的，也是取之不尽的清洁能源。如果人类能够实现核聚变的可控，将其利用起来，那人类将不会再为能源发愁，而且也能有效地保护环境，人类文明也将实现跨越式的发展。

理论上，可控核聚变是可行的，但它想实现可控，需要面临一个重大的难题，那就是开启核聚变需要数十亿度的高温，如此高的温度，核聚变释放出的巨大能量会破坏其约束装置，因此想要将核聚变的能量约束起来，需要能耐得住几十亿度高温的材料，这是对人类的一大挑战。

核聚变的原理是轻元素和轻元素的结合形式较重元素并释放巨大能量的过程。实践中上只要铁元素以下的元素都可以发生核聚变。轻元素们的结合势必会释放带电粒子和中子（等离子体），这些带电粒子以高速运动，并且运动轨迹并不受控制，他们在约束装置中“晕头转向”的乱撞，约束装置的“墙壁”每时每刻都得经受住高能粒子的撞击。以可控核聚变装置中最常见的托卡马克环为例，高能粒子会撞击到托卡马克环的壁部，并产生学名为边缘局部模式的现象，这种现象会严重的损坏托卡马克环的墙壁。

目前以人类的科技还无法研制出能够经受住每秒数亿次的高能粒子的撞击的装置，所以人类在开启可控核聚变的时候也必须要警惕这些高能粒子对装置的破坏，这也导致了可控核聚变的持续时间不能太长。2013年天朝科学院在合肥进行的人造太阳实验持续了100秒也算是很前沿了。

日前，米国普林斯顿等离子体物理实验室的科学家研发出了一种新的技术，用于减少聚变反应中等离子体的不稳定性。科学家们采用了一种新的技术，那就是涟漪扰动法，就像是水波的涟漪一样。

涟漪扰动法学名为共振磁扰动（RMPs），这是通过的小磁波来扰乱等离子体。这种波动可以扭曲等离子体的方向，减轻等离子体对装置的破坏。在最极端的情况下，这种扰动可能会导致终止等离子体对装置的严重破坏。就这样，涟漪扰动法可以大幅度提高可控核聚变的持续时长。

可能很多人认为可控核聚变的实现可以让人类实现取之不尽的清洁能源，那个时候人类不用愁电不够用，电费也会非常便宜，人类的生活将会更加美好。但这仅仅是可控核聚变的一个很小的民间应用，它更大的用处是在宇宙探索中。

我们知道，人类现在已经开始探索宇宙，但宇宙浩瀚无边，距离是以光年来计算的，以我们现有的宇宙飞船的速度，想要走出太阳系恐怕也需要上万年的时间（1光年的距离），这个速度实现是太慢了，而想要初步进行宇宙探索，人类文明真正进行进入星际文明，速度初步要达到亚光速才行。

可是要实现亚光速必须要有更强的发动机才行，这个发动机就是核聚变发动机，当人类可控核聚变实现后，我们可以制造出核聚变发动机，这样宇宙飞船的速度就会有飞跃式的提升，达到初步的亚光速，有了这个速度，人类走出太阳系也就没有问题了，人类的太空探索区域扩展到太阳系外对人类太重要了，不仅是可以探索到更远的宇宙空间，更可以去太阳系外探寻地外生命的存在，有可能那个时候人类就可能和地外文明接触上。

当然，核聚变发动机的动力远不止这个，随着人类对可控核聚变的进一步研究和提升，速度还可以由亚光速提高到光速，那对人类的太空探索又将是一次质的飞跃，而且核聚变还可以为飞船的日常航行提供充足的能源，更能保证未来人类进行外星移民所需要的能源保障。

由此可见，可控核聚变对人类太重要了，如果人类能被实现，至少会让人类文明一夜间前进几百年，让人类文明一跃成为真正的星际文明，星际移民也将不再是大问题，地球的环境也会得到巨大改善，人类正在向着这个方向努力，相信人类离可控核聚变的实现不会太远，我们期待着这一天的到来。

或许在所有人的印象中，可控核聚变就如石油开采一样，永远还有五十年，因此被认为这是一个骗局，相比之下可控核聚变的容忍度要高一些，因为普通民众难以接触到，但随着ITER和EAST的不断突破和大家的逐渐了解，似乎从来都没有像现在这样接近过可控核聚变中描述的美好的未来！或者我们就来展望下，可控核聚变的时代-真如您所想象的那样吗？

仿星器示意图

一、您认为的可控核聚变堆就如上图所示吗？其实这只是其中最为核心的反应核心而已，还有非常庞大的外围设备存在，如果要从外观上直接来区分现在裂变堆和聚变堆可能有比较大的困难，因为可控核聚变发电站和裂变堆一样会有巨大的冷却塔......

核电站的冷却塔

仅凭我们的技术，无论是燃煤电厂还是天然气电厂，又或者是裂变堆和聚变堆，只是换了一种方式烧开水而已，我们的能源转换技术并没有提升，只要未来的技术尚未彻底实现直接的热电转换之前这个巨大的冷却塔将永远竖立在地球上......

二、您认为到了可控核聚变时代就能不受限制的使用电能了吗？其实完全不是这样，因为仅仅在ITER上的可控核聚变方案全世界已经投入了数百亿美元，另外还有各国自行开展的试验，然而这些成本将完全分摊到未来的可控核聚变电站发出的每一度电中，我们不知道什么时候会用上这个聚变电能，但可以肯定的是，这个电价会维持在当前的水平很长一段时间！

某省居民电价

还有一个不容忽视的问题是，电网都是按我们这个常规能源时代建立的，也许您家里的进线功率甚至都无法超过10KW（50A进线，大约需要10平方的电缆（单相）），那么请问您可以随便用吗，而这个电网下一次更新不知道要等到猴年马月，即使更新了您自家的布线都来不及更新！

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