再談美國核聚變:我待聚變如初戀

美國激光核聚變：算多大事兒？
by：科學普渡眾生  2022/12/29

人類的能量，歸根結底來自太陽，石油、煤炭、天然氣，包括食物（除了核能、地熱能等少數能源）。地球就是個大號的太陽能電池，充電四十億年，就為我們這幾百年的揮霍。追根溯源，太陽的能量又從哪裡來？恆星演化是一部氫原子和引力的抗爭史，其能量主要來自氫核聚變。

當人們認識到，宇宙間的能量，無非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算個四級經銷商，那麼莫不如直接從粒子那裡搞批發，自己擰原子核，於是就出現了“可控核聚變”的概念。

可以這麼理解，聚變發電=無限的電。電真是個好東西，這個世界上還有什麼事情是廉價的電解決不了的嗎？如果有，那就用免費的電！電一旦不要錢，它的用途會比你想象中多得多。

比如環保問題將不復存在，無論是白色塑料，還是廢水廢氣，直接加熱到1萬度，讓所有化學鍵灰飛煙滅，把所有原子打回離子狀態，再拾掇拾掇就成了純單質，又成了工業原料。再比如水資源問題，把海水蒸餾淡化，通過綿延幾千千米的水泵和水管，能送到地球上任何地方，在沙漠養魚都不費事。還比如溫室效應，有研究說，二氧化碳含量是調節地球溫度的關鍵，如果你嫌地球太熱了，就把空氣中的二氧化碳大量合成有機物，中國科學家已經成功用二氧化碳合成了澱粉、葡萄糖、脂肪酸等等；反之，就多釋放一些二氧化碳，根據這個原理，人類可以建造一台行星級別的大空調，隨意調節地球溫度。

如果電力足夠，來看組公式：

元素=設備+電力；

設備=材料+設備+電力；

材料=元素+設備+電力；

製造業=材料+設備+電力；

不考慮物理空間和人工成本，製造任何東西，僅僅只需消耗——電力。剛剛說什麼來着，用電不要錢？

總之，可控核聚變的前景棒棒的，所以這條路上的任何進展都不算小事兒，但咱非要從中挑幾件事兒當路標，那麼美國這次激光打靶算得上嗎？

兩條路

原子核帶正電，2個原子核越靠近排斥力越大，但你又沒法捏着原子核把它們擰成一團，所以通常就是讓它們高速相撞，只要速度足夠快，就可以抵消這個排斥力，擰成一個核。這原理夠簡單吧！

溫度是什麼？溫度的本質就是粒子的運動速度，為了讓原子核擁有足夠的速度相撞，就需要足夠的溫度，所以擰原子核都很燙！這原理也不難吧？

如果只有2個原子核，就是速度再快也撞不到一起，因此單位體積內的原子核越多越好。實在密度不足的，就多維持一段時間，時間長了，總有不長眼的原子核會撞到一起。原子核密度體現在宏觀參數上就是壓強，密度越大壓強就越大。這原理也能明白吧？

溫度、密度以及維持的時間，這三者必須滿足特定的條件，這叫“勞遜判據”。滿足勞遜判據，聚變產生的能量就能維持聚變自身擰原子核消耗的能量，聚變才會持續下去，這個俗稱聚變點火。

人類目前可用的有4種聚變反應：

其中最容易實現的就是氘氚（D-T）反應，你只要把一堆氘氚放一起，狠狠加熱或者狠狠加壓，就能把氘氚原子擰成氦原子，實現聚變反應。

原理有了，咱再定個衡量指標，把“輸出能量/輸入能量”的比值叫做“Q值”，Q大於1就意味着“輸出大於輸入”。算上成本，燒鍋爐的汽輪機“熱電效率”在40%-70%，胡亂再算一些損耗，暫且認為Q=2.5是成本價。商業應用都比較黑，一般認為要Q>30才值得推廣。劃分一下幾個關鍵點：

Q>0，實現聚變反應，原理性突破標誌。

Q>1.0，輸出能量大於輸入能量，“盈虧平衡”突破標誌。

Q>2.5，輸出能量轉化為電能後仍大於輸入能量，“實用化”突破標誌。

Q>30，輸出能量轉化為電能後可實現盈利，“商業化”突破標誌。

到了這裡，哥們兒，恭喜你，聚變成功啦！

原理有了，目標也有了，那麼接下來事情該怎麼辦呢？有兩條路。

慣性約束

用N束激光從四面八方圍着一個芝麻大小的氘氚球打，瞬間將原子核擠成高溫高壓，達到聚變條件，俗稱“激光打靶”，學名“慣性約束”。打完之後，換上另一粒芝麻，繼續打。

美國國家點火裝置（NIF），可在一瞬間將上兆焦耳的能量通過192束激光打在一粒芝麻上，當之無愧的全球最強激光打靶裝置，自2010年正式點火後，一路連刷紀錄。2022年12月5日，在激光向目標輸送2.05 兆焦耳的能量後，聚變反應產生了3.15 兆焦耳的能量輸出，短暫地實現了聚變點火。

但問題是，這樣一陣一陣，怎麼做到持續穩定發電呢？

先別管發電的事了，有沒有覺得這粒芝麻像一個迷你氫彈？如果激光打靶真打利索了，以後氫彈就不用原子彈引爆了，純聚變彈水到渠成。即便打不利索，研究一下核爆過程，也更有利於氫彈結構的優化。

這可真是個傷心的故事，說好從良的，走着走着又走回打家劫舍的老路了。

從應用上說，激光核聚變很難走到最後的發電階段，激光器本身是一種能量利用率很低的裝置，美國人雖然用2.05M的輸入能量產生了3.15M的輸出能量，但為了產生這2.05M的激光能量，卻消耗了300M的電能，這本帳虧到姥姥家了。

正因為如此，很多人指責美國國家點火裝置（NIF）就是個騙經費的玩意兒。其實話不能這麼說，自從五大流氓一起簽署了《全面禁止核試驗條約》，誰也沒臉光明正大搞核爆試驗，從這個角度講，激光打靶還是一個不錯的補充，畢竟煮茶葉蛋的手藝是永無止境的，總有改善的餘地。

除了前面狂奔的美國，後面的法國兆焦耳（LMJ）、中國“神光”系列、日本GEKKO XII也都沒閒着，只是新聞上得少，畢竟和氫彈沾着邊，不方便大張旗鼓。

因為激光打靶始終逃不掉氫彈的影子，所以即便把Q值刷到1以上，其意義也沒那麼驚世駭俗。道理很簡單，如果把引爆氫彈的能量看作輸入能量，氫彈爆炸的能量看作輸出能量，那麼氫彈的Q值早就刷到天上去了。

想要讓核聚變淪為開水工發電，還得指望第二條路。

磁約束

到了一億攝氏度，原子核和電子早被打散了，成了“等離子體”，沒了電子的氫核帶正電，正好可以被磁場約束，然後用強大的磁場把原子核擰到一起，所以研究聚變的單位經常叫“某某等離子體研究所”。

磁約束根據不同的結構特點，也分好幾種。

托卡馬克

托卡馬克是俄語，可見當年蘇聯對這個領域的貢獻，是從0到1的先驅者。托卡馬克的磁約束特徵：縱向線圈和極向線圈非常分明，縱向磁場完全由外部的線圈提供，極向磁場由線圈和等離子體電流產生，兩個磁場共同約束等離子體。等離子體有電阻，可以利用“歐姆效應”加熱，也就是用感應電流給等離子體通電，而且通電後的等離子體相當於一個線圈，還會產生磁場。不過溫度升高后歐姆加熱效率降低，後期還要輔助加熱手段，比如射頻波共振加熱、中性束注入加熱等等。

這就是托卡馬克的大概原理：利用線圈和等離子體電流產生磁場，利用磁場約束氘氚，利用感應電流和其他手段狠狠加熱。

原理看起來還挺靠譜的，那麼Q值刷得怎麼樣了？

首先上路的是蘇聯，托卡馬克和他們的坦克取一個名，T字頭。1958年上T-1，掛了；1960年上T-2，也掛了；1964年上T-3，幾經升級終於在1968年有了能量輸出，人類第一次刷到了Q值，雖然只有十億分之一，但至少證明路子是可行的。一時間托卡馬克風光無限，T-7、T-10、T-12、T-15一一上馬，歐美日等國紛紛跟進，中國也咬着牙跟上了。

進入20世紀80年代，大家覺得路子摸得差不多，該動真格了，於是，建造了一堆大型托卡馬克，準備上真正的氘氚反應。

1991年，歐洲聯合環（JET）實現了史上第一次氘氚（D-T）反應，持續了2秒，Q值0.12。1993年，美國的托卡馬克聚變測試反應堆（TFTR）把Q值刷到了0.28。1997年，歐洲聯合環又刷出了0.67的歷史新高度。隨後，日本的JT-60成功進行了氘氘（D-D）反應，換算回氘氚（D-T）反應的Q值相當於1.25，但是換算的價值打成了骨折，Q值基本不算數。

最來勁的還是蘇聯，當別人還在玩銅線的時候，蘇聯的T-7就用上了超導，因為磁場是電流產生的，強大的磁場意味着強大的電流，強大的電流非超導莫屬。T-7沒折騰幾年，又開始建造更大的T-15，各項設計參數刷到爆，1988年完工。不過一看這時間點就知道T-15會面臨什麼命運了，蘇聯崩潰對蘇聯的聚變事業造成了毀滅性打擊，大量人才流失，項目停滯，很多聚變裝置都當破銅爛鐵處理，白白浪費了雄厚的科研積累。

雖然T-15沒趕上90年代紅紅火火的刷Q值潮流，但憑藉傲人的設計，依然和歐洲聯合環、美國TFTR、日本JT-60，並列為當年的四大宗師。相比來說，中國就只能低調了，默默折騰自己的小裝備，環流器一號（HL-1）和CT-6，主要成果就是，培養人才。

江湖上除了大宗師，還有不少八九段的高手。法國的Tore-supra是世界上第一個真正實現高參數准穩態運行的裝置，放電時間長達120秒。這裡所謂的“放電”不是發電的意思，僅僅指把氘電離成等離子體，只是聚變反應的第一步，但依然非常了不起。要知道，三大宗師雖然刷到了Q值，但持續時間都只有幾秒鐘。還有德國的ASDEX-U、TEXTOR也實力不俗，刷出不少紀錄。很多工業強國都來湊過熱鬧，前前後後全球累計造了幾十個聚變堆。

形勢看起來很不錯啊！然後呢？

然後，大家很快把錢刷完了，發現可控核聚變在五十年內都榨不出油水，不願繼續充值，陸續關閉了一批托卡馬克。之後二十年，別說Q值，連D-T反應都嫌貴，不做了。Q值紀錄就停留在1997年的0.67。

ITER

但事關人類未來1億年的大計，不能撂挑子啊！於是，美蘇歐日一合計，不如組團吧，國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）由此誕生。

用腳趾頭想想就知道，這幾家要是能合夥順利辦事，太陽就要從四面八方出來了，不出意外地，吵成了一鍋粥。不過，面對天文數字般的預算，還是達成了一個共識：找人分擔。外加中國、韓國的積極爭取，兩國由此也加入了ITER計劃。

這麼偉大的項目，放哪裡呢？日本主動請纓，只要ITER落戶日本，出錢可以出大頭！客觀地說，日本條件確實不錯，技術也相當彪悍，美國、韓國表示支持。無奈法國人天生自帶幸運光環，說道“我家氣候好，放我家吧”！歐盟自然是幫親不幫理，啥也別說了，這事必須在歐洲辦。法俄的關係，要不是烏克蘭問題，“西北風級兩棲攻擊艦”購買合同早就執行完成了，你說他倆能差嗎？中方態度就更不用說了，使勁給法國撐腰。最後，歐盟直接宣布：無論結果怎麼樣，我們年底就直接在法國開建了。

美日沒轍，最終ITER花落法國，歐盟出一半經費，同時給日本不少補償條件。不過，這麼大一事，少了宇宙大國印度好像也不合適，於是，半年後印度拎着錢袋子興沖沖加入了ITER。各方於2006年簽字畫押，標誌着ITER計划進入全面實施的準備階段。

然後……我們就見識到了什麼是真正的磨洋工。ITER貴為僅次於國際空間站的全球第二大科研合作項目，牛皮吹得相當大：Q值超過10，輸出能量功率500兆瓦，達到實用化水平。但是，進度十年十年往後延，眼看着牛皮就要吹破了。

關鍵時刻，原先一個默默無聞的菜鳥，不聲不響躋身大宗師行列了，對眾人說道，“要不，讓我來試試？”這就是中國核聚變的故事。

EAST

中國的家底我們都清楚，苦哈哈出身，70年代硬着頭皮上了第一台托卡馬克CT-6，接着又上了環流器一號（HL-1），還有HT-6、HT-6B、HL1M、環流器二號（HL-2），都是練手的小號，只能排在人家後面。在歐美風風火火刷Q值的90年代，別說聚變了，就是彩電我們都造不了。

後來人算不如天算，蘇聯突然崩了！中國有幸撿漏成功，把T-7捎走了，就是那台超導托卡馬克，本着人道主義關懷，順便把幾個下崗專家也捎了回來。之後做了不少升級，改名HT-7（合肥超環）。圍着這台二手爐子苦練二十年，終於神功大成，2006年，世界第一台全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，EAST）橫空出世（別人都是部分線圈超導）。

全超導，一看這出身，大家就不敢小瞧了。以往“世界聚變能大會”都是歐洲、美國、日本在台上當主角，我們坐後排流口水，EAST出來後，大會直接就搬到了中國召開。

2006年，EAST開始全面刷紀錄，而且行事頗有章法，並不直接追求Q值，官方定義是：研究等離子體穩態約束的可行性。也就是說，先讓等離子體長時間保持1億度以上，不着急進行聚變反應。在穩態運行方面，EAST屢屢創下世界紀錄，1.2億度維持101秒，1.6億度維持20秒，7000萬度維持1056秒。

憑這把成績，在地球上已經找不到對手了。為了打敗合肥的EAST，規模更大、參數更高的中國環流器二號M裝置（HL-2M）於2020年12月在成都建成並實現首次放電，這一手左右互搏的功夫，看得眾人是羨慕不已。

不得不佩服中國“引進、吸收、再消化”的能力，山寨也好創新也罷，事實就是，中國通過蘇聯的T-7，一下子就翻身農奴把歌唱了！這個故事充分說明，人類團結還是很有必要的。

在托卡馬克硬件建設方面，中國同樣擔得起“基建狂魔”的稱號。ITER打算2025年實現點火，很大一部分原因是中國承擔了大量核心關鍵部件的製造及安裝任務，包括校正場線圈、環向場線圈導體、極向場線圈導體、磁體饋線系統、包層第一壁、包層屏蔽模塊、診斷系統等等，有些任務是全包了，有些是做一部分。不吹牛地說，現在的ITER總裝工作，中國是中流砥柱。（悄悄說一句：這些都是收費的。）

當然，光靠我們一家是不夠的，ITER有100多萬個部件，總重達2.3萬噸（EAST重400噸），全球35個主要工業國都沒閒着。二十多年沒開張的歐洲聯合環，於2021年12月再次進行了一輪昂貴的氘氚（D-T）反應，1.5億度的氘和氚保持了5秒鐘，聚變反應釋放了59兆焦耳的能量，刷新了輸出能量的世界紀錄，為即將投入試運行的ITER進行鋪路實驗；美國負責製造的磁鐵堪稱世界之最，可以把航母吸上天；日本提供了三四百噸的大型超導線圈，實力也不弱……

ITER雖有諸多不順，但仍不失為全人類精誠合作的象徵，點個讚吧。

仿星器

下面輪到磁約束的第二種類型：仿星器。

無論EAST怎麼刷紀錄，依然無法改變托卡馬克的缺點：太複雜。依靠外部線圈和等離子體電流產生的耦合磁場，一起約束等離子體，這樣的設計非常微妙，一旦出現擾動，瞬間就會放大，導致系統崩潰。

其實一開始大家就覺得托卡馬克很棘手，所以蘇聯想出托卡馬克的時候，“仿星器”的設計也差不多時間提出來。仿星器的思路是：所有的磁場都是外部線圈提供，不用等離子體電流瞎摻和，所以只要保持線圈的穩定，磁場就能穩定，這樣當然就提高了系統的穩定性。

想法很好，可是聚變等離子體詭異的特性，使得磁場分布也很詭異，進而導致線圈也設計得非常詭異。

仿星器原理示意圖（藍色是線圈，黃色是等離子體，綠色線是磁感線）

早期計算機的模擬能力差，而且線圈加工難度也很大，詭異的線圈最終產生什麼樣的磁場全靠緣分，所以仿星器一開始就不熱門。歐洲、美國、蘇聯、日本都玩過仿星器，後來蘇聯把托卡馬克玩出Q值後，仿星器失寵就更嚴重了，美國甚至還把仿星器直接改成了托卡馬克。中國最早也玩過仿星器，後來拿到蘇聯的T-7之後，直接打入冷宮。

再後來，時來運轉，隨着托卡馬克陷入瓶頸，超級計算機的性能跟火箭似的上躥，不就算一算磁場分布嘛，沒問題啊！

於是，當年仿星器的大玩家德國又重操舊業了，世界上最大的仿星器文德爾施泰因（Wendelstein）7-X於2015年實現點火，日本、美國、澳大利亞、西班牙也都在這條路上蹚，但都沒有大手筆。不管仿星器能不能刷Q值，人類的聚變事業多一項選擇總歸不是壞事。

反場箍縮

磁約束還有第三條路：反場箍縮。大致原理是：縱向磁場由外部線圈產生，極向磁場則完全由等離子體電流產生。這樣系統結構更為簡單，個頭小了很多，省錢。

不過，目前來看這路子也好不到哪裡去，美國練了快20年反場箍縮，約束時間還停留在毫秒級（托卡馬克已經幾百秒了），中國的“科大一環”、意大利的RFX、日本的TPE-RX、瑞典的EXTRAP-T2R也全都在萌芽狀態。

苦練神功二十年，連“拳打北方幼兒園，腳踢南方敬老院”都做不到，大家又是一片哀號之聲。

托卡馬克、仿星器、反場箍縮，除了這三條路之外，其實還有很多辦法可以約束等離子體，但因為實用性過於寒磣，連名字都不想提了。
還需五十年

蘇聯物理學家列夫·阿爾齊莫維奇（Lev Artsimovich）說過一句至理名言：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。”可控核聚變雖然困難重重，但不可否認，我們也不算認真對待，全球每年的化妝品研發費用都超過了核聚變研發費用，可見面子比里子重要。

ITER計劃2025年實現點火，2035年開始氘氚反應實驗，即便一切順利，ITER也只是一個實驗聚變堆，無法發電。想要發電還得重新建一個商業聚變堆，時間就不好說了，真是應了那句玩笑：可控核聚變還需五十年。

這節奏中國實在看不下去了，原本打算等ITER有了收穫再動手，現在看來是不想等了。2017年，中國聚變工程實驗堆項目（CFETR）正式啟動，計劃2035年建成聚變工程實驗堆，2050年建成聚變商業示範堆，實現聚變發電！

這下好歹算有個盼頭了，聚變虐我千百遍，我待聚變如初戀，再等三十年，讓我們看看中國聚變堆最終能否修成正果！