核聚变一百年能成功吗（五十年后又五十年）

开篇先为大家高歌一曲：

我有一个美丽的愿望

长大以后能播种太阳

播种一颗

一颗就够了

会结出许多的太阳

相信大家小时候都听过、唱过，或者想象过种一颗太阳。而在现实中，科学家们一直致力于在地球上造一颗“人造太阳”，我国的“人造太阳”工程在今年5月份还创造了新的世界记录，取得了不错的进展。

“人造太阳”其实就是受控热核聚变反应装置。

关于受热核聚变的应用，有一个“永远还需要50年”魔咒。从上世纪50年代受控热核聚变的原理被提出后，每每有人问核聚变何时能得到实际应用时，科学家的回答都是“还需要50年”。

受控热核聚变反应装置这名字听起来很专业，可是具体是什么意思？它跟终极能源又有什么关系？为什么会出现“永远还需要50年”魔咒？

不断发光发热的太阳

终极能源的秘密

核能利用按照原理可以分为两类：核裂变以及核聚变。

图/爱因斯坦的质能方程式：E = mc²

在核裂变过程中，一个重核分裂成轻核，质量上的衰减转化为巨大的能量被释放出来。比如说原子弹的爆炸就是一个典型的不受控核裂变反应，核电站则是利用可控的链式核裂变反应转化的热能来烧热水进行发电的裂变反应堆。

核聚变的反应过程跟核裂变刚好相反，两个质量轻核融合在一起形成一个重核，融合的过程中质量衰减会转化为大量的电子和中子的能量释放。

人类关于核聚变反应的最早认知，就是从太阳中发现的。

太阳外层有大量的氢原子核，受太阳自身万有引力的影响不断地往太阳内部挤压，高温高密度的环境使得核聚变反应自然而然地发生。

科学家们希望在地球上建造一个核聚变反应装置，通过核聚变反应持续稳定地输出能量。因为这个装置的原理与太阳发光发热的原理相似，所以这些以探索聚变清洁能源为目的的装置也被人们称之为“人造太阳”。

维系核聚变的燃料是氢的同位素氘（dao）和氚（chuan），氘氚结合成氦原子同时释放巨大能量。事实上，氘氚核聚变反应已经在氢弹爆炸上得到了实践，只不过氢弹需要原子弹来引爆，爆炸的过程也并不可控。

相较于核裂变，单位质量的核聚变产生的能量要更大。跟核（裂变）电站的燃料有限、会产生放射性强的核废料，以及有核泄露的风险等弊端相比，利用核聚变来进行发电更像是一种取之不尽用之不竭，同时又清洁无污染的终极能源。

我国有哪些“人造太阳”？

想要把核聚变转化为人类可以利用的和聚变能，就必须要让核聚变反应变得可控。目前来说，实现可控的核聚变技术是急待解决的世界性难题。

据中核集团核工业西物所聚变科学所副所长钟武律介绍，受控核聚变能需要满足三个非常苛刻的条件：

一、它需要的温度特别高，因为只有温度特别高，这个原子核才会具备足够高的动能，也就是原子核才会跑得更快。

二、等离子体的密度要足够高，高的概念就是原子核之间碰撞发生聚合反应的概率要提高。

三、要长时间地控制住这些原子核，就是将高温、高密度的核反应条件维持足够长的时间，这样才能够使核聚变发生，并且可以持续下去。

确实，地球的物理条件不同于太阳，造一颗“人造太阳”谈何容易？

比如说太阳巨大的压力使得核聚变正常发生，但在地球上没有办法获得如此之大的压力，只能通过提高温度来找补。说到温度，太阳的核心温度可以去到近2000万℃，而地球上的金属材料在1000℃左右就会融化，没有任何材料可以包裹超高温的等离子体。

科学家发明了一种磁约束核聚变装置，用强磁场约束带电粒子，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。

最早的环形磁约束受控核聚变实验装置是由前苏联科学家于20世纪50年代发明的托卡马克(Tokamak)，托卡马克装置也是目前全球受控核聚变研究的运行模式和物理基础。

托卡马克是由环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)共同组成的环形容器。

简单来说，它就是一个外面缠绕着线圈，中央是一个环形的真空室的磁笼。在运作时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。从外表来看，就像是一个个甜甜圈环环相扣。

紧接着，科学家们将超导技术应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，制成了超导托卡马克，使得等离子体在高约束、高参数、高温的条件下可以持续稳态运行。1994年中科院等离子体物理研究所成功研制出HT-7超导托卡马克，当时我国是继俄、日、法之后第四个拥有该类装置的国家。

前段时间，韩国的“人造太阳”KSTAR实现了1亿摄氏度维持运行30秒，成功打破了他们自己的记录。

网友们评论戏称“加油，还有71秒就追上我们了”。

我国从上世纪60年代开始研究可控核聚变，目前来说已经拥有两个较先进的“人造太阳”。

第一颗是中科院合肥物质科学研究院的大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST。今年5月，EAST成功实现了1.2亿摄氏度运行101秒，1.6亿摄氏度运行20秒的世界纪录。（注：亿度的温度数据是电脑计算出来的，而非测量，目前没有温度计可以测量如此之高的温度）

图/新华社 全超导托卡马克大科学装置EAST

第二颗是中国环流器二号M装置（HL-2M）。2020年12月在成都建成并首次实现放电。它是我国规模最大、参数最高的磁约束核聚变实验研究装置。

图/HL-2M

实现终极能源

还需要多少个50年？

谈到核聚变能的实际应用，不得不提Q这个数值，Q指聚变能的增益系数，也就是聚变能反应发生时输出能量与输入能量的比值。

简单来说，当Q=1时，输入输出平衡，当Q＞10时，可控核聚变才有商业应用的可能。

根据英国科学家著名的劳森判据来看，维持核聚变反应堆中能量平衡的条件是等离子体密度、约束时间、温度的三重积，要想核聚变反应的能量产出率大于能量损耗率，三重积需要高于某一阈值才行。

目前来说，全世界并没有任何一个受控热核聚变实验装置可以维持反应自持，至于距离实际商业应用，可以说还差得很远。

受控热核聚变发电能否打破“50年魔咒”？该如何打破？还需要更多的技术突破。

End

参考文献:

[1]中科院合肥物质科学研究院

[2]中国科学院等离子体物理研究所

注：封面图以及文中插图来源网络

,