美国激光核聚变：算多大事儿？

传感器技术 2023-01-09 07:00

如何提升高压系统的实时性能? 如何增强能源基础设施的实时控制？

人类的能量，归根结底来自太阳，石油、煤炭、天然气，包括食物（除了核能、地热能等少数能源）。地球就是个大号的太阳能电池，充电四十亿年，就为我们这几百年的挥霍。追根溯源，太阳的能量又从哪里来？恒星演化是一部氢原子和引力的抗争史，其能量主要来自氢核聚变。

当人们认识到，宇宙间的能量，无非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算个四级经销商，那么莫不如直接从粒子那里搞批发，自己拧原子核，于是就出现了“可控核聚变”的概念。

可以这么理解，聚变发电=无限的电。电真是个好东西，这个世界上还有什么事情是廉价的电解决不了的吗？如果有，那就用免费的电！电一旦不要钱，它的用途会比你想象中多得多。

比如环保问题将不复存在，无论是白色塑料，还是废水废气，直接加热到1万度，让所有化学键灰飞烟灭，把所有原子打回离子状态，再拾掇拾掇就成了纯单质，又成了工业原料。再比如水资源问题，把海水蒸馏淡化，通过绵延几千千米的水泵和水管，能送到地球上任何地方，在沙漠养鱼都不费事。还比如温室效应，有研究说，二氧化碳含量是调节地球温度的关键，如果你嫌地球太热了，就把空气中的二氧化碳大量合成有机物，中国科学家已经成功用二氧化碳合成了淀粉、葡萄糖、脂肪酸等等；反之，就多释放一些二氧化碳，根据这个原理，人类可以建造一台行星级别的大空调，随意调节地球温度。

如果电力足够，来看组公式：

元素=设备+电力；

设备=材料+设备+电力；

材料=元素+设备+电力；

制造业=材料+设备+电力；

不考虑物理空间和人工成本，制造任何东西，仅仅只需消耗——电力。刚刚说什么来着，用电不要钱？

总之，可控核聚变的前景棒棒的，所以这条路上的任何进展都不算小事儿，但咱非要从中挑几件事儿当路标，那么美国这次激光打靶算得上吗？

两条路

原子核带正电，2个原子核越靠近排斥力越大，但你又没法捏着原子核把它们拧成一团，所以通常就是让它们高速相撞，只要速度足够快，就可以抵消这个排斥力，拧成一个核。这原理够简单吧！

温度是什么？温度的本质就是粒子的运动速度，为了让原子核拥有足够的速度相撞，就需要足够的温度，所以拧原子核都很烫！这原理也不难吧？

如果只有2个原子核，就是速度再快也撞不到一起，因此单位体积内的原子核越多越好。实在密度不足的，就多维持一段时间，时间长了，总有不长眼的原子核会撞到一起。原子核密度体现在宏观参数上就是压强，密度越大压强就越大。这原理也能明白吧？

温度、密度以及维持的时间，这三者必须满足特定的条件，这叫“劳逊判据”。满足劳逊判据，聚变产生的能量就能维持聚变自身拧原子核消耗的能量，聚变才会持续下去，这个俗称聚变点火。

人类目前可用的有4种聚变反应：

其中最容易实现的就是氘氚（D-T）反应，你只要把一堆氘氚放一起，狠狠加热或者狠狠加压，就能把氘氚原子拧成氦原子，实现聚变反应。

原理有了，咱再定个衡量指标，把“输出能量/输入能量”的比值叫做“Q值”，Q大于1就意味着“输出大于输入”。算上成本，烧锅炉的汽轮机“热电效率”在40%-70%，胡乱再算一些损耗，暂且认为Q=2.5是成本价。商业应用都比较黑，一般认为要Q>30才值得推广。划分一下几个关键点：

Q>0，实现聚变反应，原理性突破标志。

Q>1.0，输出能量大于输入能量，“盈亏平衡”突破标志。

Q>2.5，输出能量转化为电能后仍大于输入能量，“实用化”突破标志。

Q>30，输出能量转化为电能后可实现盈利，“商业化”突破标志。

到了这里，哥们儿，恭喜你，聚变成功啦！

原理有了，目标也有了，那么接下来事情该怎么办呢？有两条路。

惯性约束

用N束激光从四面八方围着一个芝麻大小的氘氚球打，瞬间将原子核挤成高温高压，达到聚变条件，俗称“激光打靶”，学名“惯性约束”。打完之后，换上另一粒芝麻，继续打。

美国国家点火装置（NIF），可在一瞬间将上兆焦耳的能量通过192束激光打在一粒芝麻上，当之无愧的全球最强激光打靶装置，自2010年正式点火后，一路连刷纪录。2022年12月5日，在激光向目标输送2.05 兆焦耳的能量后，聚变反应产生了3.15 兆焦耳的能量输出，短暂地实现了聚变点火。

但问题是，这样一阵一阵，怎么做到持续稳定发电呢？

先别管发电的事了，有没有觉得这粒芝麻像一个迷你氢弹？如果激光打靶真打利索了，以后氢弹就不用原子弹引爆了，纯聚变弹水到渠成。即便打不利索，研究一下核爆过程，也更有利于氢弹结构的优化。

这可真是个伤心的故事，说好从良的，走着走着又走回打家劫舍的老路了。

从应用上说，激光核聚变很难走到最后的发电阶段，激光器本身是一种能量利用率很低的装置，美国人虽然用2.05M的输入能量产生了3.15M的输出能量，但为了产生这2.05M的激光能量，却消耗了300M的电能，这本帐亏到姥姥家了。

正因为如此，很多人指责美国国家点火装置（NIF）就是个骗经费的玩意儿。其实话不能这么说，自从五大流氓一起签署了《全面禁止核试验条约》，谁也没脸光明正大搞核爆试验，从这个角度讲，激光打靶还是一个不错的补充，毕竟煮茶叶蛋的手艺是永无止境的，总有改善的余地。

除了前面狂奔的美国，后面的法国兆焦耳（LMJ）、中国“神光”系列、日本GEKKO XII也都没闲着，只是新闻上得少，毕竟和氢弹沾着边，不方便大张旗鼓。

因为激光打靶始终逃不掉氢弹的影子，所以即便把Q值刷到1以上，其意义也没那么惊世骇俗。道理很简单，如果把引爆氢弹的能量看作输入能量，氢弹爆炸的能量看作输出能量，那么氢弹的Q值早就刷到天上去了。

想要让核聚变沦为开水工发电，还得指望第二条路。

磁约束

到了一亿摄氏度，原子核和电子早被打散了，成了“等离子体”，没了电子的氢核带正电，正好可以被磁场约束，然后用强大的磁场把原子核拧到一起，所以研究聚变的单位经常叫“某某等离子体研究所”。

磁约束根据不同的结构特点，也分好几种。

托卡马克

托卡马克是俄语，可见当年苏联对这个领域的贡献，是从0到1的先驱者。托卡马克的磁约束特征：纵向线圈和极向线圈非常分明，纵向磁场完全由外部的线圈提供，极向磁场由线圈和等离子体电流产生，两个磁场共同约束等离子体。等离子体有电阻，可以利用“欧姆效应”加热，也就是用感应电流给等离子体通电，而且通电后的等离子体相当于一个线圈，还会产生磁场。不过温度升高后欧姆加热效率降低，后期还要辅助加热手段，比如射频波共振加热、中性束注入加热等等。

这就是托卡马克的大概原理：利用线圈和等离子体电流产生磁场，利用磁场约束氘氚，利用感应电流和其他手段狠狠加热。

原理看起来还挺靠谱的，那么Q值刷得怎么样了？

首先上路的是苏联，托卡马克和他们的坦克取一个名，T字头。1958年上T-1，挂了；1960年上T-2，也挂了；1964年上T-3，几经升级终于在1968年有了能量输出，人类第一次刷到了Q值，虽然只有十亿分之一，但至少证明路子是可行的。一时间托卡马克风光无限，T-7、T-10、T-12、T-15一一上马，欧美日等国纷纷跟进，中国也咬着牙跟上了。

进入20世纪80年代，大家觉得路子摸得差不多，该动真格了，于是，建造了一堆大型托卡马克，准备上真正的氘氚反应。

1991年，欧洲联合环（JET）实现了史上第一次氘氚（D-T）反应，持续了2秒，Q值0.12。1993年，美国的托卡马克聚变测试反应堆（TFTR）把Q值刷到了0.28。1997年，欧洲联合环又刷出了0.67的历史新高度。随后，日本的JT-60成功进行了氘氘（D-D）反应，换算回氘氚（D-T）反应的Q值相当于1.25，但是换算的价值打成了骨折，Q值基本不算数。

最来劲的还是苏联，当别人还在玩铜线的时候，苏联的T-7就用上了超导，因为磁场是电流产生的，强大的磁场意味着强大的电流，强大的电流非超导莫属。T-7没折腾几年，又开始建造更大的T-15，各项设计参数刷到爆，1988年完工。不过一看这时间点就知道T-15会面临什么命运了，苏联崩溃对苏联的聚变事业造成了毁灭性打击，大量人才流失，项目停滞，很多聚变装置都当破铜烂铁处理，白白浪费了雄厚的科研积累。

虽然T-15没赶上90年代红红火火的刷Q值潮流，但凭借傲人的设计，依然和欧洲联合环、美国TFTR、日本JT-60，并列为当年的四大宗师。相比来说，中国就只能低调了，默默折腾自己的小装备，环流器一号（HL-1）和CT-6，主要成果就是，培养人才。

江湖上除了大宗师，还有不少八九段的高手。法国的Tore-supra是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，放电时间长达120秒。这里所谓的“放电”不是发电的意思，仅仅指把氘电离成等离子体，只是聚变反应的第一步，但依然非常了不起。要知道，三大宗师虽然刷到了Q值，但持续时间都只有几秒钟。还有德国的ASDEX-U、TEXTOR也实力不俗，刷出不少纪录。很多工业强国都来凑过热闹，前前后后全球累计造了几十个聚变堆。

形势看起来很不错啊！然后呢？

然后，大家很快把钱刷完了，发现可控核聚变在五十年内都榨不出油水，不愿继续充值，陆续关闭了一批托卡马克。之后二十年，别说Q值，连D-T反应都嫌贵，不做了。Q值纪录就停留在1997年的0.67。

ITER

但事关人类未来1亿年的大计，不能撂挑子啊！于是，美苏欧日一合计，不如组团吧，国际热核聚变实验堆计划（ITER）由此诞生。

用脚趾头想想就知道，这几家要是能合伙顺利办事，太阳就要从四面八方出来了，不出意外地，吵成了一锅粥。不过，面对天文数字般的预算，还是达成了一个共识：找人分担。外加中国、韩国的积极争取，两国由此也加入了ITER计划。

这么伟大的项目，放哪里呢？日本主动请缨，只要ITER落户日本，出钱可以出大头！客观地说，日本条件确实不错，技术也相当彪悍，美国、韩国表示支持。无奈法国人天生自带幸运光环，说道“我家气候好，放我家吧”！欧盟自然是帮亲不帮理，啥也别说了，这事必须在欧洲办。法俄的关系，要不是乌克兰问题，“西北风级两栖攻击舰”购买合同早就执行完成了，你说他俩能差吗？中方态度就更不用说了，使劲给法国撑腰。最后，欧盟直接宣布：无论结果怎么样，我们年底就直接在法国开建了。

美日没辙，最终ITER花落法国，欧盟出一半经费，同时给日本不少补偿条件。不过，这么大一事，少了宇宙大国印度好像也不合适，于是，半年后印度拎着钱袋子兴冲冲加入了ITER。各方于2006年签字画押，标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段。

然后……我们就见识到了什么是真正的磨洋工。ITER贵为仅次于国际空间站的全球第二大科研合作项目，牛皮吹得相当大：Q值超过10，输出能量功率500兆瓦，达到实用化水平。但是，进度十年十年往后延，眼看着牛皮就要吹破了。

关键时刻，原先一个默默无闻的菜鸟，不声不响跻身大宗师行列了，对众人说道，“要不，让我来试试？”这就是中国核聚变的故事。

EAST

中国的家底我们都清楚，苦哈哈出身，70年代硬着头皮上了第一台托卡马克CT-6，接着又上了环流器一号（HL-1），还有HT-6、HT-6B、HL1M、环流器二号（HL-2），都是练手的小号，只能排在人家后面。在欧美风风火火刷Q值的90年代，别说聚变了，就是彩电我们都造不了。

后来人算不如天算，苏联突然崩了！中国有幸捡漏成功，把T-7捎走了，就是那台超导托卡马克，本着人道主义关怀，顺便把几个下岗专家也捎了回来。之后做了不少升级，改名HT-7（合肥超环）。围着这台二手炉子苦练二十年，终于神功大成，2006年，世界第一台全超导托卡马克核聚变实验装置（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，EAST）横空出世（别人都是部分线圈超导）。

全超导，一看这出身，大家就不敢小瞧了。以往“世界聚变能大会”都是欧洲、美国、日本在台上当主角，我们坐后排流口水，EAST出来后，大会直接就搬到了中国召开。

2006年，EAST开始全面刷纪录，而且行事颇有章法，并不直接追求Q值，官方定义是：研究等离子体稳态约束的可行性。也就是说，先让等离子体长时间保持1亿度以上，不着急进行聚变反应。在稳态运行方面，EAST屡屡创下世界纪录，1.2亿度维持101秒，1.6亿度维持20秒，7000万度维持1056秒。

凭这把成绩，在地球上已经找不到对手了。为了打败合肥的EAST，规模更大、参数更高的中国环流器二号M装置（HL-2M）于2020年12月在成都建成并实现首次放电，这一手左右互搏的功夫，看得众人是羡慕不已。

不得不佩服中国“引进、吸收、再消化”的能力，山寨也好创新也罢，事实就是，中国通过苏联的T-7，一下子就翻身农奴把歌唱了！这个故事充分说明，人类团结还是很有必要的。

在托卡马克硬件建设方面，中国同样担得起“基建狂魔”的称号。ITER打算2025年实现点火，很大一部分原因是中国承担了大量核心关键部件的制造及安装任务，包括校正场线圈、环向场线圈导体、极向场线圈导体、磁体馈线系统、包层第一壁、包层屏蔽模块、诊断系统等等，有些任务是全包了，有些是做一部分。不吹牛地说，现在的ITER总装工作，中国是中流砥柱。（悄悄说一句：这些都是收费的。）

当然，光靠我们一家是不够的，ITER有100多万个部件，总重达2.3万吨（EAST重400吨），全球35个主要工业国都没闲着。二十多年没开张的欧洲联合环，于2021年12月再次进行了一轮昂贵的氘氚（D-T）反应，1.5亿度的氘和氚保持了5秒钟，聚变反应释放了59兆焦耳的能量，刷新了输出能量的世界纪录，为即将投入试运行的ITER进行铺路实验；美国负责制造的磁铁堪称世界之最，可以把航母吸上天；日本提供了三四百吨的大型超导线圈，实力也不弱……

ITER虽有诸多不顺，但仍不失为全人类精诚合作的象征，点个赞吧。

仿星器

下面轮到磁约束的第二种类型：仿星器。

无论EAST怎么刷纪录，依然无法改变托卡马克的缺点：太复杂。依靠外部线圈和等离子体电流产生的耦合磁场，一起约束等离子体，这样的设计非常微妙，一旦出现扰动，瞬间就会放大，导致系统崩溃。

其实一开始大家就觉得托卡马克很棘手，所以苏联想出托卡马克的时候，“仿星器”的设计也差不多时间提出来。仿星器的思路是：所有的磁场都是外部线圈提供，不用等离子体电流瞎掺和，所以只要保持线圈的稳定，磁场就能稳定，这样当然就提高了系统的稳定性。

想法很好，可是聚变等离子体诡异的特性，使得磁场分布也很诡异，进而导致线圈也设计得非常诡异。

仿星器原理示意图（蓝色是线圈，黄色是等离子体，绿色线是磁感线）

早期计算机的模拟能力差，而且线圈加工难度也很大，诡异的线圈最终产生什么样的磁场全靠缘分，所以仿星器一开始就不热门。欧洲、美国、苏联、日本都玩过仿星器，后来苏联把托卡马克玩出Q值后，仿星器失宠就更严重了，美国甚至还把仿星器直接改成了托卡马克。中国最早也玩过仿星器，后来拿到苏联的T-7之后，直接打入冷宫。

再后来，时来运转，随着托卡马克陷入瓶颈，超级计算机的性能跟火箭似的上蹿，不就算一算磁场分布嘛，没问题啊！

于是，当年仿星器的大玩家德国又重操旧业了，世界上最大的仿星器文德尔施泰因（Wendelstein）7-X于2015年实现点火，日本、美国、澳大利亚、西班牙也都在这条路上蹚，但都没有大手笔。不管仿星器能不能刷Q值，人类的聚变事业多一项选择总归不是坏事。

反场箍缩

磁约束还有第三条路：反场箍缩。大致原理是：纵向磁场由外部线圈产生，极向磁场则完全由等离子体电流产生。这样系统结构更为简单，个头小了很多，省钱。

不过，目前来看这路子也好不到哪里去，美国练了快20年反场箍缩，约束时间还停留在毫秒级（托卡马克已经几百秒了），中国的“科大一环”、意大利的RFX、日本的TPE-RX、瑞典的EXTRAP-T2R也全都在萌芽状态。

苦练神功二十年，连“拳打北方幼儿园，脚踢南方敬老院”都做不到，大家又是一片哀号之声。

托卡马克、仿星器、反场箍缩，除了这三条路之外，其实还有很多办法可以约束等离子体，但因为实用性过于寒碜，连名字都不想提了。

还需五十年

苏联物理学家列夫·阿尔齐莫维奇（Lev Artsimovich）说过一句至理名言：“当整个社会都需要的时候，聚变就会实现。”可控核聚变虽然困难重重，但不可否认，我们也不算认真对待，全球每年的化妆品研发费用都超过了核聚变研发费用，可见面子比里子重要。

ITER计划2025年实现点火，2035年开始氘氚反应实验，即便一切顺利，ITER也只是一个实验聚变堆，无法发电。想要发电还得重新建一个商业聚变堆，时间就不好说了，真是应了那句玩笑：可控核聚变还需五十年。

这节奏中国实在看不下去了，原本打算等ITER有了收获再动手，现在看来是不想等了。2017年，中国聚变工程实验堆项目（CFETR）正式启动，计划2035年建成聚变工程实验堆，2050年建成聚变商业示范堆，实现聚变发电！

这下好歹算有个盼头了，聚变虐我千百遍，我待聚变如初恋，再等三十年，让我们看看中国聚变堆最终能否修成正果！

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