“千呼萬(wàn)喚”的核聚變，何時(shí)能點(diǎn)亮世界？

核聚變能源被譽(yù)為最清潔的能源，因?yàn)樗鼰o(wú)污染；而且還被認(rèn)為是無(wú)限能源，這是因?yàn)橄鄬?duì)其他能源而言，核聚變的燃料在地球上很多，月球上也不少，隨便抓一把就能發(fā)出巨量的電能。

比如說(shuō)海水，每升海水中含有30毫克重氫，也就是氘，這些氘通過(guò)聚變所釋放的能量，相當(dāng)于燃燒340升汽油。根據(jù)汽油密度約為0.725換算，一立方米海水的能量就相當(dāng)于246.5噸汽油。

地球上約有海水137億億立方米，作為核聚變?nèi)剂暇拖喈?dāng)于5558萬(wàn)億噸汽油。2023年全球能源總消費(fèi)量為211億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱能約為29.3GJ。汽油熱能比標(biāo)準(zhǔn)煤還要大一些，每噸汽油熱能約為32GJ，即使按照1：1計(jì)算，僅海水轉(zhuǎn)化為的核聚變能源，就可以讓人類按照現(xiàn)在的生活方式使用26萬(wàn)年。

現(xiàn)在人類有記載的歷史才數(shù)千年，核聚變能源能夠讓人類繼續(xù)使用幾十萬(wàn)年，所以相對(duì)于今天的人類來(lái)說(shuō)，是一種無(wú)限能源。當(dāng)然，這種算法只限于現(xiàn)在人類文明處于較低水平，隨著人類文明的升級(jí)換代，能量的需求將成千上萬(wàn)倍的增加，到那時(shí)核聚變就無(wú)法支撐人類文明的存續(xù)和發(fā)展了。

有科學(xué)模型認(rèn)為，人類到達(dá)二級(jí)文明就需要建設(shè)戴森球，就是將整個(gè)太陽(yáng)全部包裹起來(lái)，利用全部的太陽(yáng)能量，才能維系文明的需要。這是另一個(gè)話題，今天就不展開說(shuō)了。

核聚變到底是什么呢？說(shuō)起來(lái)很復(fù)雜，但簡(jiǎn)單通俗地說(shuō)，就是將兩個(gè)原子核強(qiáng)行壓縮在一起，融合成一個(gè)更重的核?，F(xiàn)階段的核聚變就是將最簡(jiǎn)單的元素~氫核，壓縮融合成氦核，在這個(gè)聚變反應(yīng)過(guò)程會(huì)損失約0.7%的質(zhì)量，這些質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，收集起這些能量用于發(fā)電，就是當(dāng)前可控核聚變的目標(biāo)。

別看核聚變只能得到0.7%質(zhì)量轉(zhuǎn)化率的能量，但已經(jīng)夠驚天動(dòng)地了，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程E=MC^2，1kg的物質(zhì)核聚變過(guò)程就能產(chǎn)生9^16J的能量，相當(dāng)250億千瓦的電力。這種能量早就不是僅限于理論說(shuō)說(shuō)了，早就在現(xiàn)實(shí)中得到證實(shí)。氫彈爆炸就是這種能量的體現(xiàn)，不過(guò)這種瞬間的爆發(fā)是不可控的，除了戰(zhàn)爭(zhēng)和毀滅，基本無(wú)法造福人類文明。

因此，長(zhǎng)久解決人類能源問(wèn)題的核聚變被稱為可控核聚變，就是將這種核聚變的巨大能量能夠可控緩慢的釋放，才能夠用于社會(huì)商業(yè)運(yùn)用。如何讓這種能量變得可控，是從上個(gè)世紀(jì)五十年代開始，科學(xué)家們就在前赴后繼孜孜以求的課題。

核聚變的過(guò)程是在原子層面進(jìn)行，因此是極其微觀的過(guò)程。原子核是極小的物質(zhì)，但要把它們強(qiáng)行扭在一起，實(shí)現(xiàn)融合，且要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就非常不容易，需要極大的壓力。太陽(yáng)核心的核聚變就是在2500~3000億個(gè)大氣壓下進(jìn)行的，這種壓力在地球上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此只能通過(guò)高溫來(lái)彌補(bǔ)。

因此，要實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的核聚變至少要1億攝氏度以上的溫度，這樣就出現(xiàn)了幾個(gè)難以克服的困難，即：如何才能達(dá)到這么高的溫度，如此高溫的等離子體用什么容器來(lái)盛裝（約束），又如何收集利用這種能量等等。幾十年來(lái)，科學(xué)家們就一直苦苦尋求方法攻克這些難關(guān)，并一點(diǎn)點(diǎn)取得進(jìn)展。

地球上能耐受溫度最高的物質(zhì)是鉿合金(Ta4HfC5)，熔點(diǎn)可達(dá)4215℃。但這點(diǎn)高溫在核聚變所需的億度高溫面前連零頭都不到，因此，核聚變的高溫等離子體是無(wú)法用一個(gè)實(shí)物外殼來(lái)約束的?？茖W(xué)家們經(jīng)過(guò)研究和試驗(yàn)，要約束這種超高溫能量，只有采用無(wú)形的磁約束、慣性約束、重力約束。

在地球上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)核心那種超大的重力約束，只能采用了磁約束和慣性約束的技術(shù)，來(lái)解決核聚變的高溫等離子體約束問(wèn)題。但搞了五六十年，約束的時(shí)間還非常短暫，特別是輸出的功率，也就是Q值還極低。由此，許多人對(duì)核聚變?cè)絹?lái)越悲觀，認(rèn)為成功的希望渺茫。

所謂Q值，就是核聚變過(guò)程輸入的能量與輸出的能量比，輸出能量比輸入能量越大，Q值就越高，只有輸出能量大于輸入能量時(shí)，核聚變技術(shù)才能造福人類。這有點(diǎn)像做生意，本錢少賺錢多，才能盈利嘛。

但就是這個(gè)簡(jiǎn)單的道理，在核聚變領(lǐng)域一直難以實(shí)現(xiàn)。迄今為止，核聚變輸出Q值最大的是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置于2023年創(chuàng)下的，其記錄為1.89。雖然這是一個(gè)突破，但時(shí)間很短，核聚變反應(yīng)只維持了5.2秒，輸出能量只有3.88兆焦，也就是約相當(dāng)1度電。而且這項(xiàng)試驗(yàn)采用的是慣性約束激光點(diǎn)火技術(shù)，并非世界上普遍采用的托卡馬克磁約束技術(shù)。

磁約束技術(shù)實(shí)現(xiàn)的Q值，由英國(guó)牛津郡卡勒姆核聚變中心的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）于1997年創(chuàng)造，這個(gè)核聚變輸出Q值的世界記錄只有0.67，也就是說(shuō)輸入耗費(fèi)的能量如果為1，得到的只有0.67，等于花了1元錢買了只值0.67元的貨，是個(gè)虧本生意。2023年10月份，JET使用了0.21毫克的燃料，點(diǎn)火后維持了5.2秒的核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生出了69兆焦的能量。雖然創(chuàng)造了比2021年59兆焦更大的輸出功率，但并沒(méi)有突破1997年的Q值記錄。

在全世界托卡馬克裝置的試驗(yàn)群星里，日本的JT-60是一個(gè)亮點(diǎn)，曾在2004年創(chuàng)造2000萬(wàn)攝氏度維持約束31分45秒的記錄，以及2006年1億攝氏度維持28.6秒的記錄。在此之前的1997年，曾宣稱創(chuàng)造出Q值1.25的記錄，但這個(gè)記錄是通過(guò)氘-氚反應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到的，被認(rèn)為不能用于實(shí)用。但至少給了人們希望，證實(shí)了采用托卡馬克裝置理論上是可以產(chǎn)生正能量輸出的。

可控核聚變到底什么時(shí)候能夠真正的實(shí)現(xiàn)民用呢？前景依然渺茫，緩慢的進(jìn)展讓許多人失去了耐心。但世界上的科學(xué)家們并沒(méi)有放棄，還在不斷地奮斗和孜孜以求，其中一批中國(guó)的科學(xué)家們尤其努力，并且已經(jīng)取得了舉世矚目的成就。

在以托卡馬克裝置為主體的磁約束技術(shù)方面，最高溫度記錄分別為美國(guó)1995年創(chuàng)造的5.1億攝氏度和日本1996年創(chuàng)造的5.22億攝氏度。但這個(gè)溫度維持時(shí)間沒(méi)有披露，應(yīng)該是時(shí)間很短，很可能是瞬時(shí)發(fā)生。而日本JT-60創(chuàng)造的31分鐘等離子體約束維持記錄，溫度只有2千攝氏度；1億攝氏度的維持記錄則只有28.6秒。

中國(guó)坐落在安徽合肥的“東方超環(huán)”，全稱全超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST)，于2021年5月創(chuàng)造了1.2億攝氏度維持101.2秒的記錄，同年12月又創(chuàng)造了7千萬(wàn)攝氏度維持1056秒的記錄；2023年4月12日，又實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運(yùn)行403秒，這個(gè)記錄迄今無(wú)人打破。至于Q值現(xiàn)在能達(dá)到多少，目前還沒(méi)有資料披露。

而且，中國(guó)政府正在不斷加大可控核聚變研究的投入。據(jù)美國(guó)能源部聚變能源科學(xué)辦公室（Office of Fusion Energy Sciences）負(fù)責(zé)人保羅·阿蘭宣稱，中國(guó)政府每年對(duì)核聚變研究的投入達(dá)15億美元，而美國(guó)每年投入只有約8億美元。因此，雖然中國(guó)的核聚變研究比老美要晚一些，但步伐卻越來(lái)越快，目前所取得的專利已經(jīng)超過(guò)任何國(guó)家。

現(xiàn)在，中國(guó)除了安徽的“東方超環(huán)”正在不斷取得突破，還有建設(shè)在成都已經(jīng)運(yùn)行的“中環(huán)三號(hào)”，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100萬(wàn)安培等離子體電流的高約束模式運(yùn)行。還有建設(shè)中的BEST 托卡馬克工程計(jì)劃在2007年完工，并投巨資參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。這些工作正在快馬加鞭地推進(jìn)中，不斷取得突破性成果，受到世界矚目。

?中國(guó)核聚變應(yīng)用推進(jìn)計(jì)劃的目標(biāo)是在2028年實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電運(yùn)行，功率為5000萬(wàn)安培。?中國(guó)在核聚變領(lǐng)域的發(fā)展路線規(guī)劃顯示，將在2050年前后建成聚變商用電站。因此，許多國(guó)際權(quán)威人士評(píng)價(jià)，由于中國(guó)政府的加大投資和強(qiáng)力推進(jìn)，可控核聚變技術(shù)很可能會(huì)超越一些老牌科技強(qiáng)國(guó)，很可率先點(diǎn)燃世界上商業(yè)運(yùn)用的第一盞燈。

據(jù)核聚變工業(yè)協(xié)會(huì)（FIA）于2024年7月發(fā)布的《2024年全球聚變行業(yè)：聚變公司調(diào)查》顯示，世界上絕大多數(shù)公司預(yù)計(jì)將在2030年代初實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電。在技術(shù)路線上，大部分公司采用的都是磁約束技術(shù)路線（23家），此外還包括磁慣性約束（5家）、慣性約束（9家）、混合磁/靜電約束（3家）、磁慣性約束（3家）、介子催化聚變（1家）和其他非傳統(tǒng)概念/未說(shuō)明（3家）等方法。

如此，渺茫的希望似乎已經(jīng)越來(lái)越看得見(jiàn)摸得著了。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，當(dāng)核聚變之燈照亮人間之時(shí)，就是人類科技文明跨入一個(gè)嶄新階段之時(shí)，讓我們期待。對(duì)此，你怎么看？歡迎討論。

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