核聚变商用曙光初现，“永远的五十年”成为历史了？

作者：酷玩实验室

本文转载自：酷玩实验室（ID:coollabs）

前几天我慕名去了西安，看了一个叫星环聚能的项目，他们在运行一个现实中的托卡马克装置，就是用来搞核聚变的那个东西。

核聚变想必大家都有听说过，就是永远差50年那个嘛。

但即便它如此的虚无飘渺，似乎并没有影响全球人民对它的兴趣。

为什么呢？因为这玩意儿是真正的终极能源，堪称能源中的灭霸。

可能各位知道核聚变的能量密度非常大，比煤石油天然气都大，但是具体有多大呢？

以最容易实现的氘氚聚变，也就是氢带一个中子的同位素和氢带两个中子的同位素的聚变反应为例，氘原子的质量为3.345*10-27次方千克，氚原子的质量是5.01*10的-27次方千克，氦-4为6.649*10的-27次方千克，中子为1.675*10的-27次方千克，反应后质量少了0.031*10的27次方千克，反应质量亏损在0.37%左右，亏损的质量以能量的形式释放。

人类整体的发电功率大概是10的12次方瓦，根据爱因斯坦质能方程换算到质量的话，等于每秒消耗0.01克物质，对应氘氚聚变反应原材料就是整个人类每秒需要消耗2.7克，一天是230公斤，一年是84吨。（当然这里忽略了后续烧水发电的损耗）

也就是说，要维持全人类一年的发电量，仅仅需要一辆百吨王大卡车就能装载全部的核聚变原料，就是那么离谱。

说完能量密度，再来说说能量的规模。如果我们仅仅考虑地球，氘在地球上主要以重水的形式存在于海洋中，它的含量约占氢的0.0156%，大约有7乘以10的17次方吨，简直是海量。

而氚是一种半衰期仅为12年的放射性同位素，在自然界没有稳定存在，但好在我们可以用中子轰击锂原子来制备它，正好氘氚反应会产生一个中子，这不巧了吗？

氘氚聚变经常被拿来举例只是它实现起来比较容易，除此之外它并没有什么特殊之处，实际上氢的原子都能发生聚变反应释放能量，比如两个最普通氢原子的聚变，氘和氦3的聚变，甚至流浪地球里的一万多台行星级发动机烧石头（氧，硅）的那种聚变，都是完全可以实现的。

所以笼统的说，核聚变是一种可以把百分之零点几的质量转变为能量的技术，也就是如果把我转变的话，能转变个几两的质量，而现在整个地球人类每秒只消耗0.00.0几克质量。

而且之所以我们思维惯性里只考虑地球的资源，本质上还是因为我们目前掌握的能源，能量密度都太低，一枚推力3000吨的化学火箭，只能送200吨的货物到近地轨道，50吨的货物到月球，90%以上的负载都用来装燃料了，所以甚至月球都只能作为我们插个旗到此一游的地方，更别说开发别的星球了。

而一旦核聚变发动机出现之后，在太阳系内的航行就不成问题了，到时候真就是海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。（披金成王，伴坤启航）

更不要说，核聚变还是真正的清洁能源。

最近日本在那儿乱排核污水搞得我们非常蛋疼。

传统的核电站用的是核裂变反应，也就是用中子轰击不稳定的重元素放射性同位素原子比如铀235，使之分裂成更小的原子，并且释放出更多的中子，释放的中子再跟铀235反应，从而形成链式反应。

这种链式反应是自我放大的，必须进行精密的控制，一旦失控就容易停不下来，就会导致堆芯融化甚至锅炉爆炸，释放出大量放射性污染物质。

这就是为什么核裂变电站始终是一种不稳定因素，它的安全取决于人，当一些人不靠谱不负责任的时候，核电站这种理论上的清洁能源就会摇身一变成为环境大杀器。

而核聚变完全不同，假设现在有一群非常靠谱有负责的，恐怖分子，想要突袭核聚变电站造成爆炸，他们会发现没有办法，没有任何办法可以让核聚变电站爆炸，工程上无法实现。也就是核聚变的安全性不是来自于人的管理，而是来自物理规律。

所以核聚变集极高能量密度，无限能量规模和极致安全性为一身，是真正的终极能源。可以想象，一旦核聚变能源发展成熟，人类社会的形态会跟现在完全不一样。

既然它那么好，那快点给我搞出来呀！永远差50年是什么鬼？50年后我tm都嗝儿屁了。

问题就在于实现可控的核聚变实在太难。

核聚变的物理本质，是原子核发生了合并。要让合并发生，就需要两个原子核靠得足够近，进入到强相互作用力的作用范围。但问题是，原子核都是带正电的，同性相斥之下，只有它们飞得足够快才能撞到一起，又因为微观粒子的无规则运动在宏观上体现为温度，也就是需要极高的温度。

要多高呢，还是以最容易实现的氘氚聚变为例，它在常压下的反应温度大约是1.5亿摄氏度，太阳核心温度的十倍。

那么即便我们有能力把它加热到这个温度，但是已知世界上熔点最高的物质是五碳化四钽铪（TaHfC），它的熔点是4215℃，还不到反应温度的零头。这就涉及到一个本质的问题了。没锅怎么烧饭啊？我们用什么去装反应原料呢？

在过去80年当中，科学家尝试了很多种去装它的方法，其中最靠谱的一种，就是所谓的托卡马克装置。

当我们把核聚变原料加热到上亿度这个级别的时候，它会进入到一种叫做等离子体的状态，它的电子会被剥离出原子，只剩下离子裸核，最终形成带正电的离子和带负电的电子混合在一起的状态，就是等离子体。

那既然反应原料带电，我们自然就可以用磁场去把它控制在一定的范围内，托卡马克装置的目标就是为了制造一个这样的磁场。

它的造型非常像一个胖胖的甜甜圈，我们用若干环状磁体，可以形成贯穿其中垂直于环状平面的磁感线磁感场线，当等离子体中离子和电子在环中区域动来动去的时候，它们会受到垂直于磁感线方向的力，让它们开始转弯，如果磁场够强的话转弯半径够小呈现出来的效果就是它们会在里面沿着磁场线转圈圈，就被束缚住出不来了。

而为了防止等离子体从两头飘出去，我们可以把环状磁体两头连起来，就形成了这个甜甜圈的结构。

但是这个结构有一个致命缺陷，就是它越靠近内部磁体靠得越紧，磁感磁感场线越密集磁场越强，越靠近外部磁感场磁感线越稀疏磁场越弱，这个磁场强度梯度的存在会使得正负粒子分别受到垂直于梯度方向，也就是向上和向下的力，这样一来等离子体转瞬之间就散掉了。

那么怎么防止等离子体在磁力磁力场梯度作用下散掉呢？

托卡马克装置在中间加了一个柱状电磁体，通过快速改变通过它的电流大小，生成快速变化的磁场，进而在等离子体中诱导出感应电流，形成环绕等离子体的感应磁场，这个磁场跟甜甜圈内部原本的磁场相叠加，效果同样是形成了麻花状的磁场，中和了粒子向外的受力，让粒子在上下左右往复运动中达到动态平衡。

然后除此之外，在最外圈，还有几个大的环状电磁体，用来控制等离子体的大小和形状。

但这又产生了一个新的问题，加热材料到上亿度以及维持一个巨大的磁场，本身要消耗巨大的能量，只有在核聚变产生的能量大于消耗的能量时，也就是能量增益因子Q大于1时，核聚变才能自发的进行下去也就是所谓完成点火，才有额外的能量可以转化为电能，核聚变才有实用价值。

经过长期的实验，也就是重复建一个托卡马克装置，采集实验数据，再建新的托卡马克装置的过程在国内外多个托卡马克装置实验数据的基础上，科学家们得到了一个经验公式，也就是托卡马克装置的聚变堆功率，正比于磁约束性能的平方，中心磁场强度的4次方以及圆环半径的三次方。

介于我们当然会尽可能采用有约束性能最好的结构，和能够提供最大磁场强度的材料，剩下的发力点就只剩增加它的尺寸了，准备把它的尺寸做到多大呢？

1985年，苏共总书记戈尔巴乔夫向美国总统里根提议共同建设一个大型的托卡马克装置，也就是传说中的国际热核聚变实验堆ITER。这个装置位于法国南部小城卡达拉什，占地面积180公顷，装置总重约两万三千吨，光上面的一个磁体就相当于一架满载的波音747的重量。

为了从全球的供应商那里把那些硕大的零部件运过来，路都新修了好几条，因为原来的不够宽，它经历过多次跳票，估算的最高的总投入更是高达600亿欧元，相当于4800亿人民币。这是在造实验装置吗？不，这是在造奇观。

有人可能会说，4800亿小钱，不就是12个独山县吗？话虽这么说没错，但你要知道它只是个实验装置，假设它的试验成功，后续还不知道要造多少实验装置才能最终实现核聚变发电的商用。

这就是它为什么永远差50年的根本原因，投入太大，项目周期太长，中间不管是技术，管理，还是国际关系当中的不可控因素太多，甚至时间长了之后人员的更迭也是个很大的问题，上一任ITER的负责人在2022年因为某个未公开的疾病去世了，交接也是个问题，也就是它差得不是50年，而是50年后现在的人死得差不多了，它就可以再往后忽悠50年。

但是大家可以看到，我身边现在的这个装置，似乎没那么夸张嘛。这个人就是我，虽然我的模型比较大，但显然这个托卡马克，不是那种奇观级别的东西。

这就是为什么我想来看一下这个项目的原因，因为事情正在起变化。

在刚才的公式当中，除了尺寸之外的另外两个因素，发生了变化。这跟最近非常火的超导这个概念有关。

1986年一月，德国科学家约翰内斯·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现了高温超导现象，随后在1987年，得到了诺贝尔物理学奖，这是诺贝尔奖的论文发表到得奖最快的一次。

而同样是在1987年，中国大陆科学家赵忠贤，台湾地区科学家吴茂昆，以及美国华裔科学家朱经武不约而同地发现了临界温度在90K，也就是零下183度以上的钇钡铜氧超导体。

后续在863计划的支持下，有一些中国的团队，用了30年时间研究怎么把这种超导材料做成导线，到了大概2014年的时候，高温超导带材首条公里级产线建成，到2020年，产能达到了几百公里一年，足以装配一台托卡马克装置了。

然后在2021年9月，一个从麻省理工学院走出来的团队，叫做CFS，完成了一个实验，证明用高温超导材料构建的托卡马克装置，其中心磁场强度可以达到20T，是原来技术路线的4倍。

并且由于某些现在还无法解释的原因，这种材料的载流密度更大，用它可以把托卡马克装置的中心柱造得更细，这就使得一种新的托卡马克装置构型，也就是球形托卡马克得以实现，而球形托卡马克的约束性能，是传统托卡马克的15倍。

4倍的磁场强度加15倍的约束性能，使得我们理论上可以用一个小得多得多的装置，达到可控核聚变的点火所需的功率。

于是就有了类似我身边的这个装置。按星环聚能的计划，他们打算在一个直径6米，高10米的托卡马克上，实现可控核聚变的点火。而一旦这种微型的核聚变装置成功，它就不仅仅能用来发电了，为大型舰船，比如航空母舰、LNG液化天然气船、巴拿马级集装箱船，提供动力，自然也不在话下。

但是小也有小的问题，最大的问题就在于它内壁和周边空间的局促。

大家可以看这张图，这是中国的另一个托卡马克装置叫做东方超环，你看它周围这一圈主要是它的加热装置，最大这两个叫做中性束加热器。

大致上可以理解为小型的粒子加速器，边上还有RF射频加热装置等等，因为把等离子体加热到上亿度这个工程，还是非常复杂的并且需要消耗巨大的能量。

那你想啊，核聚变的点火意味着产出能量大于消耗的能量，如果加热本身消耗能量过大，是不利于点火的。而且并不是点火了就能发电了，你是不是要加料排灰，你是不是烧水啊，最重要的是，氘氚聚变的氚是要在现场用核聚变产生的中子跟锂反应生成的，是不是要给氚增殖的设备留出空间啊？

但现在这个托卡马克装置太小，周围的空间都被加热器占了，哪还有地方安排这些呢？

所以能不能不要用这些复杂的结构，就把等离子体加热到上亿度呢？星环聚能的首席科学家提出了一个大胆的想法，那就是换一种加热方式，就不需要中性束注入了，而这种方式就叫做磁重联。

磁重联原本是一个天文学的术语，最开始是用来解释太阳耀斑的生成机制的。说的是等离子体中方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结的过程，重联会将磁能快速转化为等离子体热能和动能，大白话就是两团磁感线相反的等离子体快速撞到一起，就会变得很热。

还记得在原本的托卡马克装置当中，我们的目标是让离子体是在圆环面上安稳地转圈圈，但一旦要启动磁重联，就意味着等离子体要不停的重复分散成两团，再撞击合并的过程。

不是你控制它安稳的转圈圈都做不到，就像搞那么复杂的操作，这难度不是更大了吗？

这就涉及到近年来除了高温超导材料之外的，另一项重大科技进步了，那就是AI，机器学习。

机器学习可以让一些非常神奇的事情成为现实。

比如说有一家叫做Alitheon的做AI视觉识别的公司，它能做到给随便一个东西拍一张照片做记录，当它下次出现在镜头前的时候，就能识别是不是它。

比如，你给扑克牌的背面拍一张照片，下次你只要用镜头看背面就知道是哪张了。听起来非常离谱，但道理说起来很简单，一张扑克的正面和背面肯定是对应，而世界上没有两片完全一样的叶子，每一张扑克牌的背面都是不一样的，所以看背面也应该能知道是哪张扑克。

为什么我们以前从来没有这样去识别过扑克？，因为扑克牌背面的细微特征用人眼完全识别不了，而对于AI来说并没有问题。

同样的道理。

大家可以看到在这台托卡马克装置上，密集分布着这样的传感器。我们现在不知道怎样实现稳定重复的磁重联，但是我们知道，等离子体在装置内的运动状态，只能跟我们施加给它的磁场有关，也就是每个时刻的电流有关，那如果我们收集大量有关等离子体运动状态的数据，对应到我们施加的电流，给到AI模型，让它学习中间的关系呢。

这就是星环聚能的方案。

他们目前这个装置叫做Sunist2，上面装饰有清华大学标志性的基佬紫，因为它是在清华大学2002年开始运行的Sunist装置的基础上，改进而来的。Sunist2的目标就是实验磁重联加热技术，它在今年的7月12日进行了首轮运行,获得100千安培等离子体电流。

后续星环聚能计划在2025年完成下一代托卡马克装置的组装，在26到27年，完成用磁重联技术把等离子体加热到聚变温度的实验验证，之后建设核聚变商业示范堆。

而除了星环聚能之外，现在全球还有包括美国的CFS，英国的TokamakEnergy，中国的能量奇点在内的超过30个团队在向着实现小型可控核聚变这个目标努力。

也就是是一切顺利的话说，核聚变电站离我们可能不是50年，而是大概十年。

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核聚变商用曙光初现，“永远的五十年”成为历史了？

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