我们什么时候能用上可控核聚变发的电？可控核聚变科普

可控核聚变是人类对能源问题终极的解决方案，人类耐以生存的太阳的能量本质上就是核聚变产生的，那么这么终极的东西人类目前研究的怎么样呢？

轻原子核高速撞击生成重原子核会放出大量能量。目前考虑比较多的有三种反应分别是DD反应，D-He3反应和DT反应。我们希望找到原料获取简单同时容易发生的反应，可惜目前没有这么好的事情。DD反应的原料为氘，优点是原料容易获取，是三种反应中最难发生的。（氘和氚是氢的同位素，氘的原子核内有1个质子，1个中子。氚的原子核内有1个质子，2个中子。）D-He3反应的原料为氘和He3，地球上没有天然的He3，月球上有很多，未来的未来可期。DT反应的原料为氘和氚，DT反应是所有核聚变反应中最容易发生的，目前实际实验的可控核聚变装置都基于这个反应。氘在自然界中大量存在，可以认为“用之不竭”；而氚则需要通过中子辐照锂-6而产生。 氚（T）的半衰期短，自然界中不存在天然氚。人工制造困难，上亿美元一千克，还是有价无市。因此，可控核聚变中氚的循环利用是一个可研究的课题。作为所有核聚变反应中最容易发生的，DT反应的条件同样十分的严苛，我们该怎么样让高速运动的轻原子核撞在一起呢？很直接的想法是把原子给按住了让它们去反应，可惜做不到。温度越高，原子运动速度越快；压力越高，即单位体积内原子越多，原子碰在一起的概率越大。还有一个条件是把它们控制住的时间叫约束时间。温度、密度、约束时间共同作用决定一个聚变反应能否发生，满足聚变反应持续进行的条件叫点火条件。可控核聚变需要的温度是千万度这个量级。这么高的温度很难用普通的方法去反应，有两种方法是研究得比较多的。其中一种是激光惯性约束，2019年的文章显示我国激光惯性约束聚变（ＩＣＦ）己进入点火的攻坚时期。另一种是目前希望最大、研究最多的磁约束，我们接下来介绍的托卡马克装置用的就是磁约束。                                                。

托卡马克装置是一种环形装置，通过约束电磁波驱动。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的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。等离子体是什么？在几千万度的高温下，原子核和电子之间的联系会被打断，电子脱离原子核的束缚成为自由电子，剩下的带正电的原子核，集合在一起，被称为“等离子体”。托卡马克最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的物理学家列夫·阿齐莫维齐等人在1950年代发明的。

中国自主设计、建造, 并成功投入实验运行的世界首台全超导托卡马克就是EAST（东方超环）。EAST项目要同时具有上亿温度的“超高温”、﹣269℃的“超低温”、“超大电流”、“超强磁场”、“超高真空”等极限条件，建设过程耗费了研究人员的很多心血。由于托卡马克的设计本质上是脉冲式的, 它并不能自然地实现稳态运行。但对于聚变反应堆,稳态运行才是最佳的运行模式。如何实现托卡马克稳态运行是磁约束聚变科学领域面向聚变堆的重要科学问题。2018年，东方超环实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度。要实现高约束运行模式的等离子体放电, 总加热功率必须超过相应的阈值. 仅靠装置磁体线圈感应产生的欧姆场加热, 难以达到该阈值。EAST对辅助加热系统进行了重大升级。2021年5月28日，东方超环成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。

ITER（国际热核聚变实验堆）计划是目前世界上最大的聚变反应堆实验工程。2006年七方正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划。这七方分别是欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国和中国。在贡献率方面，欧盟一方的贡献率约为50%，包括中国在内的其余六方贡献率各约为9%；我查了ITER具体的实施过程，发现并不是很清楚。百度百科上说ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年，连个来源也没有。维基百科说有望在2025年产生第一个等离子体。维基百科引用的是一个网站的信息。http://www.iter.org/ 这个网站的信息已经于2012年停止更新，信息滞后性很强。这个网站给出的计划是于2010年开始建设，有望在2020年产生第一个等离子体。国资委引用中国核工业集团有限公司的文章，显示2021年9月ITER项目主机安装第一阶段安装完成，为第二阶段真空室安装创造了关键条件。可以看到与原计划相比现阶段的进度已经落后。

最后回到标题中的问题，我们什么时候能用上可控核聚变发的电呢？对此我的回答是信息不足无法解答。今年“两会”期间，中核集团核聚变堆技术领域首席专家段旭如在接受记者采访时表示，预计到2050年左右，人类可使用上核聚变能源。注意这里使用的词是人类，我倾向于将这句话解读为2050年左右可以核聚变可以发出实际使用的电，想要大规模推广，接下来得降低成本，让其有经济价值，这可能会是更难的一件事。路要一步一步走，2050年离今年有22年，看起来很远，上个世纪50年代苏联的阿齐莫维齐等人在研究初代托克马克装置，那时的人们也很难想象现在的世界是这个样子吧。回顾整个地球、整个宇宙的历史，人类的一生十分的渺小，科学技术也不是稳定持续进步的，罗马帝国的技术就比中世纪的技术要好。没有剥削、没有压迫、人类实现自由的社会其必然是生产力高度发达，科技高度进步的，要达到那样的社会需要依靠人的劳动。一个人的力量是有极限的，所以无数人的力量是无限的。我们没办法预测未来，但我们都期望有更好的明天。

参考的文章：

[1]彭述明. 聚变能源中氘氚燃料循环的问题与思考[C]//.第二届中国氚科学与技术学术交流会论文集.[出版者不详],2017:12.

[2]武佳铭.可控核聚变的研究现状及发展趋势[J].电子世界,2017(21):9-13.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2017.21.003.

[3]丁永坤,王敏,邹士阳,郑无敌,宋鹏,蓝可,古培俊,叶文华,王立峰,李欣,霍文义,蔡洪波,戴振生,谷建法,******,朱少平,张维岩,贺贤土. 激光惯性约束聚变物理研究进展与挑战[C]//.第十九届中国空气动力学物理气体动力学学术交流会摘要集.[出版者不详],2019:6.DOI:10.26914/c.cnkihy.2019.067079.

[4]叶华龙.浅析EAST托卡马克及中国核聚变相关研究[J].科技与创新,2021(12):92-93.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2021.12.037.

[5]万宝年,徐国盛.EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2019,49(04):47-59.

知乎，汪键是个大胖子，核能漫谈专栏

《中国科学报》 2021-11-26 第1版 要闻