千呼万唤的可控核聚变，何时才能点亮世界？

最近有外电报道，中国的可控核聚变很可能后来居上，率先点亮世界上第一盏民用之灯。

核聚变能源被誉为最清洁的能源，因为它无污染；而且还被认为是无限能源，这是因为相对其他能源而言，核聚变的燃料在地球上很多，月球上也不少，随便抓一把就能发出巨量的电能。

比如说海水，每升海水中含有30毫克重氢，也就是氘，这些氘通过聚变所释放的能量，相当于燃烧340升汽油。根据汽油密度约为0.725换算，一立方米海水的能量就相当于246.5吨汽油。

地球上约有海水137亿亿立方米，作为核聚变燃料就相当于5558万亿吨汽油。2023年全球能源总消费量为211亿吨标准煤，每吨标准煤的热能约为29.3GJ。汽油热能比标准煤还要大一些，每吨汽油热能约为32GJ，即使按照1：1计算，仅海水转化为的核聚变能源，就可以让人类按照现在的生活方式使用26万年。

现在人类有记载的历史才数千年，核聚变能源能够让人类继续使用几十万年，所以相对于今天的人类来说，是一种无限能源。当然，这种算法只限于现在人类文明处于较低水平，随着人类文明的升级换代，能量的需求将成千上万倍的增加，到那时核聚变就无法支撑人类文明的存续和发展了。

有科学模型认为，人类到达二级文明就需要建设戴森球，就是将整个太阳全部包裹起来，利用全部的太阳能量，才能维系文明的需要。这是另一个话题，今天就不展开说了。

核聚变到底是什么呢？说起来很复杂，但简单通俗地说，就是将两个原子核强行压缩在一起，融合成一个更重的核。现阶段的核聚变就是将最简单的元素~氢核，压缩融合成氦核，在这个聚变反应过程会损失约0.7%的质量，这些质量转化为能量，收集起这些能量用于发电，就是当前可控核聚变的目标。

别看核聚变只能得到0.7%质量转化率的能量，但已经够惊天动地了，根据爱因斯坦质能方程E=MC^2，1kg的物质核聚变过程就能产生9^16J的能量，相当250亿千瓦的电力。这种能量早就不是仅限于理论说说了，早就在现实中得到证实。氢弹爆炸就是这种能量的体现，不过这种瞬间的爆发是不可控的，除了战争和毁灭，基本无法造福人类文明。

因此，长久解决人类能源问题的核聚变被称为可控核聚变，就是将这种核聚变的巨大能量能够可控缓慢的释放，才能够用于社会商业运用。如何让这种能量变得可控，是从上个世纪五十年代开始，科学家们就在前赴后继孜孜以求的课题。

核聚变的过程是在原子层面进行，因此是极其微观的过程。原子核是极小的物质，但要把它们强行扭在一起，实现融合，且要发生链式反应，就非常不容易，需要极大的压力。太阳核心的核聚变就是在2500~3000亿个大气压下进行的，这种压力在地球上是无法实现的，因此只能通过高温来弥补。

因此，要实现链式反应的核聚变至少要1亿摄氏度以上的温度，这样就出现了几个难以克服的困难，即：如何才能达到这么高的温度，如此高温的等离子体用什么容器来盛装（约束），又如何收集利用这种能量等等。几十年来，科学家们就一直苦苦寻求方法攻克这些难关，并一点点取得进展。

地球上能耐受温度最高的物质是铪合金(Ta4HfC5)，熔点可达4215℃。但这点高温在核聚变所需的亿度高温面前连零头都不到，因此，核聚变的高温等离子体是无法用一个实物外壳来约束的。科学家们经过研究和试验，要约束这种超高温能量，只有采用无形的磁约束、惯性约束、重力约束。

在地球上，无法实现太阳核心那种超大的重力约束，只能采用了磁约束和惯性约束的技术，来解决核聚变的高温等离子体约束问题。但搞了五六十年，约束的时间还非常短暂，特别是输出的功率，也就是Q值还极低。由此，许多人对核聚变越来越悲观，认为成功的希望渺茫。

所谓Q值，就是核聚变过程输入的能量与输出的能量比，输出能量比输入能量越大，Q值就越高，只有输出能量大于输入能量时，核聚变技术才能造福人类。这有点像做生意，本钱少赚钱多，才能盈利嘛。

但就是这个简单的道理，在核聚变领域一直难以实现。迄今为止，核聚变输出Q值最大的是美国国家点火装置于2023年创下的，其记录为1.89。虽然这是一个突破，但时间很短，核聚变反应只维持了5.2秒，输出能量只有3.88兆焦，也就是约相当1度电。而且这项试验采用的是惯性约束激光点火技术，并非世界上普遍采用的托卡马克磁约束技术。

磁约束技术实现的Q值，由英国牛津郡卡勒姆核聚变中心的欧洲联合环状反应堆（JET）于1997年创造，这个核聚变输出Q值的世界记录只有0.67，也就是说输入耗费的能量如果为1，得到的只有0.67，等于花了1元钱买了只值0.67元的货，是个亏本生意。2023年10月份，JET使用了0.21毫克的燃料，点火后维持了5.2秒的核聚变反应，产生出了69兆焦的能量。虽然创造了比2021年59兆焦更大的输出功率，但并没有突破1997年的Q值记录。

在全世界托卡马克装置的试验群星里，日本的JT-60是一个亮点，曾在2004年创造2000万摄氏度维持约束31分45秒的记录，以及2006年1亿摄氏度维持28.6秒的记录。在此之前的1997年，曾宣称创造出Q值1.25的记录，但这个记录是通过氘-氚反应实验得到的，被认为不能用于实用。但至少给了人们希望，证实了采用托卡马克装置理论上是可以产生正能量输出的。

可控核聚变到底什么时候能够真正的实现民用呢？前景依然渺茫，缓慢的进展让许多人失去了耐心。但世界上的科学家们并没有放弃，还在不断地奋斗和孜孜以求，其中一批中国的科学家们尤其努力，并且已经取得了举世瞩目的成就。

在以托卡马克装置为主体的磁约束技术方面，最高温度记录分别为美国1995年创造的5.1亿摄氏度和日本1996年创造的5.22亿摄氏度。但这个温度维持时间没有披露，应该是时间很短，很可能是瞬时发生。而日本JT-60创造的31分钟等离子体约束维持记录，温度只有2千摄氏度；1亿摄氏度的维持记录则只有28.6秒。

中国坐落在安徽合肥的“东方超环”，全称全超导托卡马克装置（EAST)，于2021年5月创造了1.2亿摄氏度维持101.2秒的记录，同年12月又创造了7千万摄氏度维持1056秒的记录；2023年4月12日，又实现了稳态高约束模式等离子体运行403秒，这个记录迄今无人打破。至于Q值现在能达到多少，目前还没有资料披露。

而且，中国政府正在不断加大可控核聚变研究的投入。据美国能源部聚变能源科学办公室（Office of Fusion Energy Sciences）负责人保罗·阿兰宣称，中国政府每年对核聚变研究的投入达15亿美元，而美国每年投入只有约8亿美元。因此，虽然中国的核聚变研究比老美要晚一些，但步伐却越来越快，目前所取得的专利已经超过任何国家。

现在，中国除了安徽的“东方超环”正在不断取得突破，还有建设在成都已经运行的“中环三号”，已经实现了100万安培等离子体电流的高约束模式运行。还有建设中的BEST 托卡马克工程计划在2007年完工，并投巨资参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划。这些工作正在快马加鞭地推进中，不断取得突破性成果，受到世界瞩目。

‌中国核聚变应用推进计划的目标是在2028年实现核聚变发电运行，功率为5000万安培。‌中国在核聚变领域的发展路线规划显示，将在2050年前后建成聚变商用电站。因此，许多国际权威人士评价，由于中国政府的加大投资和强力推进，可控核聚变技术很可能会超越一些老牌科技强国，很可率先点燃世界上商业运用的第一盏灯。

据核聚变工业协会（FIA）于2024年7月发布的《2024年全球聚变行业：聚变公司调查》显示，世界上绝大多数公司预计将在2030年代初实现聚变发电。在技术路线上，大部分公司采用的都是磁约束技术路线（23家），此外还包括磁惯性约束（5家）、惯性约束（9家）、混合磁/静电约束（3家）、磁惯性约束（3家）、介子催化聚变（1家）和其他非传统概念/未说明（3家）等方法。

如此，渺茫的希望似乎已经越来越看得见摸得着了。在可预见的未来，当核聚变之灯照亮人间之时，就是人类科技文明跨入一个崭新阶段之时，让我们期待。对此，你怎么看？欢迎讨论。

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