核聚變商用曙光初現，“永遠的五十年”成為歷史了？_風聞

前幾天我慕名去了西安，看了一個叫星環聚能的項目，他們在運行一個現實中的託卡馬克裝置，就是用來搞核聚變的那個東西。

核聚變想必大家都有聽説過，就是永遠差50年那個嘛。

但即便它如此的虛無飄渺，似乎並沒有影響全球人民對它的興趣。

為什麼呢？因為這玩意兒是真正的終極能源，堪稱能源中的滅霸。

可能各位知道核聚變的能量密度非常大，比煤石油天然氣都大，但是具體有多大呢？

以最容易實現的氘氚聚變，也就是氫帶一箇中子的同位素和氫帶兩個中子的同位素的聚變反應為例，氘原子的質量為3.345*10-27次方千克，氚原子的質量是5.01*10的-27次方千克，氦-4為6.649*10的-27次方千克，中子為1.675*10的-27次方千克，反應後質量少了0.031*10的27次方千克，反應質量虧損在0.37%左右，虧損的質量以能量的形式釋放。

人類整體的發電功率大概是10的12次方瓦，根據愛因斯坦質能方程換算到質量的話，等於每秒消耗0.01克物質，對應氘氚聚變反應原材料就是整個人類每秒需要消耗2.7克，一天是230公斤，一年是84噸。（當然這裏忽略了後續燒水發電的損耗）

也就是説，要維持全人類一年的發電量，僅僅需要一輛百噸王大卡車就能裝載全部的核聚變原料，就是那麼離譜。

説完能量密度，再來説説能量的規模。如果我們僅僅考慮地球，氘在地球上主要以重水的形式存在于海洋中，它的含量約佔氫的0.0156%，大約有7乘以10的17次方噸，簡直是海量。

而氚是一種半衰期僅為12年的放射性同位素，在自然界沒有穩定存在，但好在我們可以用中子轟擊鋰原子來製備它，正好氘氚反應會產生一箇中子，這不巧了嗎？

氘氚聚變經常被拿來舉例只是它實現起來比較容易，除此之外它並沒有什麼特殊之處，實際上氫的原子都能發生聚變反應釋放能量，比如兩個最普通氫原子的聚變，氘和氦3的聚變，甚至流浪地球裏的一萬多台行星級發動機燒石頭（氧，硅）的那種聚變，都是完全可以實現的。

所以籠統的説，**核聚變是一種可以把百分之零點幾的質量轉變為能量的技術，**也就是如果把我轉變的話，能轉變個幾兩的質量，而現在整個地球人類每秒只消耗0.00.0幾克質量。

而且之所以我們思維慣性裏只考慮地球的資源，本質上還是因為我們目前掌握的能源，能量密度都太低，一枚推力3000噸的化學火箭，只能送200噸的貨物到近地軌道，50噸的貨物到月球，90%以上的負載都用來裝燃料了，所以甚至月球都只能作為我們插個旗到此一遊的地方，更別説開發別的星球了。

而一旦核聚變發動機出現之後，在太陽系內的航行就不成問題了，到時候真就是海闊憑魚躍，天高任鳥飛。（披金成王，伴坤啓航）

更不要説，核聚變還是真正的清潔能源。

最近日本在那兒亂排核污水搞得我們非常蛋疼。

傳統的核電站用的是核裂變反應，也就是用中子轟擊不穩定的重元素放射性同位素原子比如鈾235，使之分裂成更小的原子，並且釋放出更多的中子，釋放的中子再跟鈾235反應，從而形成鏈式反應。

這種鏈式反應是自我放大的，必須進行精密的控制，一旦失控就容易停不下來，就會導致堆芯融化甚至鍋爐爆炸，釋放出大量放射性污染物質。

這就是為什麼核裂變電站始終是一種不穩定因素，它的安全取決於人，當一些人不靠譜不負責任的時候，核電站這種理論上的清潔能源就會搖身一變成為環境大殺器。

而核聚變完全不同，假設現在有一羣非常靠譜有負責的，恐怖分子，想要突襲核聚變電站造成爆炸，他們會發現沒有辦法，沒有任何辦法可以讓核聚變電站爆炸，工程上無法實現。也就是核聚變的安全性不是來自於人的管理，而是來自物理規律。

所以核聚變集極高能量密度，無限能量規模和極致安全性為一身，是真正的終極能源。可以想象，一旦核聚變能源發展成熟，人類社會的形態會跟現在完全不一樣。

既然它那麼好，那快點給我搞出來呀！永遠差50年是什麼鬼？50年後我tm都嗝兒屁了。

問題就在於實現可控的核聚變實在太難。

**核聚變的物理本質，是原子核發生了合併。要讓合併發生，就需要兩個原子核靠得足夠近，進入到強相互作用力的作用範圍。**但問題是，原子核都是帶正電的，同性相斥之下，只有它們飛得足夠快才能撞到一起，又因為微觀粒子的無規則運動在宏觀上體現為温度，也就是需要極高的温度。

要多高呢，還是以最容易實現的氘氚聚變為例，它在常壓下的反應温度大約是1.5億攝氏度，太陽核心温度的十倍。

那麼即便我們有能力把它加熱到這個温度，但是已知世界上熔點最高的物質是**五碳化四鉭鉿（TaHfC），**它的熔點是4215℃，還不到反應温度的零頭。這就涉及到一個本質的問題了。沒鍋怎麼燒飯啊？我們用什麼去裝反應原料呢？

在過去80年當中，科學家嘗試了很多種去裝它的方法，其中最靠譜的一種，就是所謂的託卡馬克裝置。

當我們把核聚變原料加熱到上億度這個級別的時候，它會進入到一種叫做等離子體的狀態，它的電子會被剝離出原子，只剩下離子裸核，最終形成帶正電的離子和帶負電的電子混合在一起的狀態，就是等離子體。

那既然反應原料帶電，我們自然就可以用磁場去把它控制在一定的範圍內，託卡馬克裝置的目標就是為了製造一個這樣的磁場。

它的造型非常像一個胖胖的甜甜圈，我們用若干環狀磁體，可以形成貫穿其中垂直於環狀平面的磁感線磁感場線，當等離子體中離子和電子在環中區域動來動去的時候，它們會受到**垂直於磁感線方向的力，**讓它們開始轉彎，如果磁場夠強的話轉彎半徑夠小呈現出來的效果就是它們會在裏面沿着磁場線轉圈圈，就被束縛住出不來了。

而為了防止等離子體從兩頭飄出去，我們可以把環狀磁體兩頭連起來，就形成了這個甜甜圈的結構。

但是這個結構有一個致命缺陷，就是它**越靠近內部磁體靠得越緊，磁感磁感場線越密集磁場越強，越靠近外部磁感場磁感線越稀疏磁場越弱，**這個磁場強度梯度的存在會使得正負粒子分別受到垂直於梯度方向，也就是向上和向下的力，這樣一來等離子體轉瞬之間就散掉了。

那麼怎麼防止等離子體在磁力磁力場梯度作用下散掉呢？

託卡馬克裝置在中間加了一個柱狀電磁體，通過快速改變通過它的電流大小，生成快速變化的磁場，進而在等離子體中誘導出感應電流，形成環繞等離子體的感應磁場，這個磁場跟甜甜圈內部原本的磁場相疊加，效果同樣是形成了麻花狀的磁場，中和了粒子向外的受力，讓粒子在上下左右往復運動中達到動態平衡。

然後除此之外，在最外圈，還有幾個大的環狀電磁體，用來控制等離子體的大小和形狀。

但這又產生了一個新的問題，加熱材料到上億度以及維持一個巨大的磁場，本身要消耗巨大的能量，只有在核聚變產生的能量大於消耗的能量時，也就是**能量增益因子Q大於1時，**核聚變才能自發的進行下去也就是所謂完成點火，才有額外的能量可以轉化為電能，核聚變才有實用價值。

經過長期的實驗，也就是重複建一個託卡馬克裝置，採集實驗數據，再建新的託卡馬克裝置的過程在國內外多個託卡馬克裝置實驗數據的基礎上，科學家們得到了一個經驗公式，也就是託卡馬克裝置的聚變堆功率，正比於磁約束性能的平方，中心磁場強度的4次方以及圓環半徑的三次方。

介於我們當然會儘可能採用有約束性能最好的結構，和能夠提供最大磁場強度的材料，剩下的發力點就只剩增加它的尺寸了，準備把它的尺寸做到多大呢？

1985年，蘇共總書記戈爾巴喬夫向美國總統里根提議共同建設一個大型的託卡馬克裝置，也就是傳説中的**國際熱核聚變實驗堆ITER。**這個裝置位於法國南部小城卡達拉什，佔地面積180公頃，裝置總重約兩萬三千噸，光上面的一個磁體就相當於一架滿載的波音747的重量。

為了從全球的供應商那裏把那些碩大的零部件運過來，路都新修了好幾條，因為原來的不夠寬，它經歷過多次跳票，估算的最高的總投入更是高達600億歐元，相當於4800億人民幣。這是在造實驗裝置嗎？不，這是在造奇觀。

有人可能會説，4800億小錢，不就是12個獨山縣嗎？話雖這麼説沒錯，但你要知道它只是個實驗裝置，假設它的試驗成功，後續還不知道要造多少實驗裝置才能最終實現核聚變發電的商用。

這就是它為什麼永遠差50年的根本原因，投入太大，項目週期太長，中間不管是技術，管理，還是國際關係當中的不可控因素太多，甚至時間長了之後人員的更迭也是個很大的問題，上一任ITER的負責人在2022年因為某個未公開的疾病去世了，交接也是個問題，也就是它差得不是50年，而是50年後現在的人死得差不多了，它就可以再往後忽悠50年。

但是大家可以看到，我身邊現在的這個裝置，似乎沒那麼誇張嘛。這個人就是我，雖然我的模型比較大，但顯然這個託卡馬克，不是那種奇觀級別的東西。

這就是為什麼我想來看一下這個項目的原因，因為事情正在起變化。

在剛才的公式當中，除了尺寸之外的另外兩個因素，發生了變化。這跟最近非常火的超導這個概念有關。

1986年一月，德國科學家約翰內斯·貝德諾爾茨和瑞士科學家卡爾·米勒發現了高温超導現象，隨後在1987年，得到了諾貝爾物理學獎，這是諾貝爾獎的論文發表到得獎最快的一次。

而同樣是在1987年，中國大陸科學家趙忠賢，台灣地區科學家吳茂昆，以及美國華裔科學家朱經武不約而同地發現了臨界温度在90K，也就是零下183度以上的釔鋇銅氧超導體。

後續在863計劃的支持下，有一些中國的團隊，用了30年時間研究怎麼把這種超導材料做成導線，到了大概2014年的時候，高温超導帶材首條公里級產線建成，到2020年，產能達到了幾百公里一年，足以裝配一台託卡馬克裝置了。

然後在2021年9月，一個從麻省理工學院走出來的團隊，叫做CFS，完成了一個實驗，證明用高温超導材料構建的託卡馬克裝置，其中心磁場強度可以達到20T，是原來技術路線的4倍。

並且由於某些現在還無法解釋的原因，這種材料的載流密度更大，用它可以把託卡馬克裝置的中心柱造得更細，這就使得一種新的託卡馬克裝置構型，也就是球形託卡馬克得以實現，而球形託卡馬克的約束性能，是傳統託卡馬克的15倍。

4倍的磁場強度加15倍的約束性能，使得我們理論上可以用一個小得多得多的裝置，達到可控核聚變的點火所需的功率。

於是就有了類似我身邊的這個裝置。按星環聚能的計劃，他們打算在一個直徑6米，高10米的託卡馬克上，實現可控核聚變的點火。而一旦這種微型的核聚變裝置成功，它就不僅僅能用來發電了，為大型艦船，比如航空母艦、LNG液化天然氣船、巴拿馬級集裝箱船，提供動力，自然也不在話下。

但是小也有小的問題，最大的問題就在於它內壁和周邊空間的侷促。

大家可以看這張圖，這是中國的另一個託卡馬克裝置叫做東方超環，你看它周圍這一圈主要是它的加熱裝置，最大這兩個叫做中性束加熱器。

大致上可以理解為小型的粒子加速器，邊上還有RF射頻加熱裝置等等，因為把等離子體加熱到上億度這個工程，還是非常複雜的並且需要消耗巨大的能量。

那你想啊，核聚變的點火意味着產出能量大於消耗的能量，如果加熱本身消耗能量過大，是不利於點火的。而且並不是點火了就能發電了，你是不是要加料排灰，你是不是燒水啊，最重要的是，氘氚聚變的氚是要在現場用核聚變產生的中子跟鋰反應生成的，是不是要給氚增殖的設備留出空間啊？

但現在這個託卡馬克裝置太小，周圍的空間都被加熱器佔了，哪還有地方安排這些呢？

所以能不能不要用這些複雜的結構，就把等離子體加熱到上億度呢？星環聚能的首席科學家提出了一個大膽的想法，那就是換一種加熱方式，就不需要中性束注入了，而這種方式就叫做磁重聯。

磁重聯原本是一個天文學的術語，最開始是用來解釋太陽耀斑的生成機制的。説的是**等離子體中方向相反的磁力線因互相靠近而發生的重新聯結的過程，**重聯會將磁能快速轉化為等離子體熱能和動能，大白話就是兩團磁感線相反的等離子體快速撞到一起，就會變得很熱。

還記得在原本的託卡馬克裝置當中，我們的目標是讓離子體是在圓環面上安穩地轉圈圈，但一旦要啓動磁重聯，就意味着等離子體要不停的重複分散成兩團，再撞擊合併的過程。

不是你控制它安穩的轉圈圈都做不到，就像搞那麼複雜的操作，這難度不是更大了嗎？

這就涉及到近年來除了高温超導材料之外的，另一項重大科技進步了，那就是AI，機器學習。

機器學習可以讓一些非常神奇的事情成為現實。

比如説有一家叫做Alitheon的做AI視覺識別的公司，它能做到給隨便一個東西拍一張照片做記錄，當它下次出現在鏡頭前的時候，就能識別是不是它。

比如，你給撲克牌的背面拍一張照片，下次你只要用鏡頭看背面就知道是哪張了。聽起來非常離譜，但道理説起來很簡單，一張撲克的正面和背面肯定是對應，而世界上沒有兩片完全一樣的葉子，每一張撲克牌的背面都是不一樣的，所以看背面也應該能知道是哪張撲克。

為什麼我們以前從來沒有這樣去識別過撲克？，因為撲克牌背面的細微特徵用人眼完全識別不了，而對於AI來説並沒有問題。

同樣的道理。

大家可以看到在這台託卡馬克裝置上，密集分佈着這樣的傳感器。我們現在不知道怎樣實現穩定重複的磁重聯，但是我們知道，等離子體在裝置內的運動狀態，只能跟我們施加給它的磁場有關，也就是每個時刻的電流有關，那如果我們收集大量有關等離子體運動狀態的數據，對應到我們施加的電流，給到AI模型，讓它學習中間的關係呢。

這就是星環聚能的方案。

他們目前這個裝置叫做Sunist2，上面裝飾有清華大學標誌性的基佬紫，因為它是在清華大學2002年開始運行的Sunist裝置的基礎上，改進而來的。Sunist2的目標就是實驗磁重聯加熱技術，它在今年的7月12日進行了首輪運行,獲得100千安培等離子體電流。

後續星環聚能計劃在2025年完成下一代託卡馬克裝置的組裝，在26到27年，完成用磁重聯技術把等離子體加熱到聚變温度的實驗驗證，之後建設核聚變商業示範堆。

而除了星環聚能之外，現在全球還有包括美國的CFS，英國的TokamakEnergy，中國的能量奇點在內的超過30個團隊在向着實現小型可控核聚變這個目標努力。

也就是是一切順利的話説，核聚變電站離我們可能不是50年，而是大概十年。