核聚变里程碑式突破，人类将告别化石能源时代？

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*本文为「三联生活周刊」原创内容

美国能源部官员于美国当地时间2022年12月13日宣布，由美国政府资助的加利福尼亚劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，以下简称LLNL）首次成功地在核聚变反应中实现了“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促成反应所需输入的能量。美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）在一份声明中称，这是一项“里程碑式的成就”。不少媒体更是将这一成果描述成未来世界的开始，认为核聚变将帮助人类彻底摆脱化石能源的束缚，获得几乎无限的零排放能源。事实真的如此吗？

文 | 袁越

老规矩，先说结论：核聚变肯定将会改变世界，这是毋庸置疑的。

无数事实证明，**人类实现可持续发展的最大限制因素就是能源。**现有的能源形式当中，化石能源是有限的，其储量在几十至数百年之后将会用尽，更不用说温室气体排放导致的气候变化了；可再生能源密度太低，需要占用大量空间，发展潜力也是有上限的；基于核裂变的核电站虽然理论上可以担此重任，但一来核裂变的原材料（主要是铀）储量也是有限的，二来核废料的问题不好解决，再加上民间的反核力量一直非常强大，核电站的发展受到了诸多人为限制，潜力很难发挥出来。

相比之下，核聚变的原材料（主要是氢的两种同位素氘和氚）几乎是无限的，其生产过程几乎可以做到零排放，产生的核废料也很少，处理起来要容易得多。这3个优势是现有的任何能源形式都无法与之相比的，如果核聚变能实现商业化的话，人类的生活质量无疑将会上升到一个我们无法想象的高度。

说完了理想，再说现实：我们距离核聚变商业化还需多少年？这个问题早在半个多世纪前就有人给出了肯定的回答：30年。不幸的是，这个答案直到今天仍然适用。

当地时间2022年12月13日，美国华盛顿特区，嘉宾们等待着美国能源部长珍妮弗·格兰霍姆在华盛顿特区能源部总部举行的新闻发布会的开始，宣布核聚变研究的突破。（图｜视觉中国）

那么，美国刚刚爆出的这个特大新闻会不会改变核聚变的发展轨迹？我的回答是：几乎不会。因为这是个预料中的结果，并没有给核聚变研究带来任何理论上的帮助，也不会对现有的核聚变商业化探索带来任何实质性的影响。我甚至认为，这个实验结果之所以被大张旗鼓地拿来宣传，主要目的是为了给美国的纳税人一个交待，好让美国国会继续为这个项目拨款。

下面我就来说说理由。我保证，这里面的理由并不难理解，一名普通的高中生就能看得懂。

核聚变简史

美国能

**核聚变的原理说起来非常简单，就是两个原子核撞在一起，合并成一个更大的原子核。**其中一部分质量会在这一过程中以能量的形式释放出来，其质能转换比就是爱因斯坦著名的方程式E=MC²。因为光速（C）是一个很大的数，所以一点点质量可以转变成超多的能量，这就是为什么核电站的能量密度超高的原因。

核聚变是宇宙中最为常见的反应，也是宇宙中绝大部分能量的来源。我们的太阳就是一颗不停地进行着聚变反应的大火球，其中一小部分能量以光线的形式传送到地球上，滋养了世间万物。

如此说来，核聚变应该很容易实现吧？错！因为原子核都是带正电的，彼此之间有电荷斥力，需要很高的密度和动能才能让两个原子核碰到一起并发生聚合反应。换成工程师语言的话，这就相当于把一团炽热的原子压缩得非常紧密。但高温和高压是两种截然相反的物理性质，很难同时满足，再加上核聚变会释放出巨大的能量，这会让原子团变得更热，因此也就更难被压缩。

1958年，中国第一座原子核反应堆（视觉中国供图）

另一个难题就是如何控制核聚变，我们起码得把核聚变原材料装在一个容器里吧？但实现核聚变需要上亿度的高温和超高的压力，人类不可能造得出这样一种容器，只能想办法让核聚变材料和容器壁隔开，没有第二种选择。

太阳完美地解决了这两个问题：它悬浮在真空中，不需要容器，它体积巨大，其中心的温度和压力自然也就非常大，正好可以满足核聚变的所有条件。即便如此，太阳内部的核聚变强度也是很低的，只是因为它太大了，所以释放出来的能量已经足够地球生物使用了。

《热核艺术》剧照

可惜太阳所具备的条件在地球上极难实现，这就是为什么人类虽然早在1960年代初期就实现了核裂变发电的商业化，但核聚变电站直到现在都还遥遥无期的原因。

我们可以简单对比一下核裂变和核聚变：核裂变是放射性元素（比如铀235）自发开始的，裂变之后释放出来的中子可以引发新的一轮核裂变，所以只要原材料的浓度达到一定水平，**核裂变可以自发地维持下去，人类反而需要通过各种技术手段来降低核裂变的速度。**现在所有核电站的工程师们挖空心思琢磨的都是怎么停止核裂变，这个任务相对来说并不难，只要在原材料堆里插入能够吸收中子的控制棒就行了。事实上，全世界的核电站运行了那么多年，只发生过3次大的事故，其中两次是人为因素，一次是自然原因，所以我坚信****核电站的安全性是相当高的，其单位发电量所对应的死亡人数远比化石能源发电站要低得多，和风力发电或者太阳能发电的水平不相上下。

1986年，切尔诺贝利核电站爆炸后， 一名工作人员戴着防毒面具提取样本，用来检测核辐射

与核裂变相反，地球上的核聚变是没法自发开始的，需要先将原材料加温加压到一个匪夷所思的程度，所以核聚变必须输入大量能量才能得以维持。核聚变装置的能量输出输入之比叫做“聚变能增益系数”，通常用Q来表示。只有当Q值大于1时，这台装置才有可能用来发电，否则就只能用来搞科研了。事实证明，要想在工程上满足这个要求是极其困难的，此前实验室所能达到的最高Q值是0.67，这是英国的JET装置于1997年实现的。此次新闻中提到的LLNL实验室向核聚变装置中输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的能量输出，其Q值达到了1.5，首次超过了1，理论上确实可以用来发电了。

2015年9月12日，山东省海阳市海阳核电站2号核岛穹顶正在吊装（IC Photo供图）

写到这里也许有读者会问，基于核聚变原理的氢弹不是早就爆炸了吗？没错是这样的，但氢弹是用核裂变产生的高温高压来满足核聚变条件的。核弹专家们在装了氘和氚的容器内部安置了一枚小型原子弹，利用核裂变产生的巨大能量在一瞬间把氘氚压缩到极致，其能量在几分之一秒的时间里就全部释放出来了。这项技术并不难，凡是会造原子弹的国家都能做到。但核聚变电站需要的是可控的核聚变反应，这可就难了。事实上，早期的核聚变研究者没有任何头绪，不知道人类是否能在地球上实现可控核聚变。要不是一位名叫莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的普林斯顿大学物理学教授在一次滑雪时突发奇想，核聚变的商业化几乎是一件不可能完成的任务。

核聚变研究的范式转变

斯皮策想出来的方法解释起来稍微有点复杂，简单说的话就是**用磁场来约束聚变高温等离子体。**等离子体（Plasma）是物质在液态、固态和气态之外的第四种形态，前三种形态在地球上最为常见，但等离子体却是宇宙中最常见的物质形态，占比高达99%以上。顾名思义，这是全部由离子组成的一种物质形态，其中的电子在高温作用下脱离了原子核的束缚，成为自由流动的负离子，而原子核则因为丢了电子而成为自由流动的正离子。这两种离子混在一起，整体上保持电中性，这就是等离子体。根据电磁定律，运动中的带电粒子会在磁场的作用下发生弯曲，而磁场是可以用通电线圈营造出来的，于是斯皮策设想用线圈营造出一个特殊形状的磁笼，等离子体在抽成真空的容器中绕圈运动，在磁笼的约束下形成一个闭环，这样就可以不用接触容器壁了。

1953年，斯皮策和同事们在普林斯顿大学制造出了世界上第一台“仿星器”（Stellarator），证明等离子体确实可以被磁笼约束在一根真空管的中央。同年，加州大学伯克利分校创建了此次新闻的主角LLNL，他们发明出了一种新的磁约束技术，可以让以直线运动的等离子体在到达真空管道的一端后被弹回来，就像光线被镜子反射回来一样，这就是磁镜（Magnetic Mirror）。

几乎与此同时，英国牛津大学的科学家造出了全世界第一台箍缩机。这台机器利用等离子体在有电流通过时会自动收缩（Pinch，即箍缩）的特性，用放电的方式对等离子体进行压缩，将核聚变材料约束在电流线的周围，不让它碰到容器壁。

就这样，来自英美两国的核物理学家在短短的3年时间里想出了至少三种利用磁场来约束等离子体的方法，而且通过实验证明它们全都能引发核聚变。虽然核聚变所产生的能量都远不如这3套装置本身所消耗的能量多，但核聚变技术的发展速度让大家信心爆棚。1955年8月，一批全球顶尖的核物理学家在日内瓦召开了第一届联合国和平利用原子能大会，印度裔会议主席霍米·巴巴（Homi Bhabha）在大会上预言，可控核聚变将在20年后成为现实。

《Let there be light》剧照

就在同一年，英国物理学家约翰·劳森（John Lawson）推导出了著名的劳森判据（Lawson Criterion），并于1957年将这一成果公之于众。劳森判据是包含温度、密度和约束时间这3个变量的一组公式，只要将核聚变装置的这3项数据代入公式，就可以知道这台装置能否实现正能量，即能量的输出大于输入。

劳森判据中的这3个变量是乘积关系，也就是说核聚变装置的各项指标不必全都特别出色，只要3项指标都不太差，而其中有1～2项指标特别优秀就可以了。

核聚变的Q值和聚变原料的性质有很大关系，目前已知最容易实现正能量的聚变原料是等比例的氘氚混合物，其他类型的核聚变所要满足的参数条件要比氘氚大得多，所以最先建成的可控核聚变发电装置几乎肯定将会是氘氚聚变。其中氘可以从海水中提取出来，其蕴藏量至少可供人类使用数百万年。**氚在自然界中的蕴藏量极少，目前基本上只能用核裂变反应堆产生的高能中子轰击金属锂来获取，每年的产能只有20公斤左右。**再加上氚是一种放射性元素，半衰期只有12年，这就给核聚变实验带来了很多麻烦，目前尚无好的解决办法。

劳森判据的出现彻底改变了核聚变研究的范式，从此大家只需用没有放射性的等离子体来做实验，就可以通过劳森判据来计算出如果改用氘氚的话将会是怎样的结果。换句话说，核聚变研究从此变成了一种工程学研究，大家拼的是如何降低等离子体的Q值，和核聚变本身已经没有太大关系了。

此后的10年里，英美两国制造了好几台基于仿星器、磁镜和箍缩技术的核聚变装置，但它们的表现全都远远低于预期，大家这才意识到人**类对于等离子体的物理性质了解得太少了，根本无法对这种极端物质形态的行为模式作出预判。**举例来说，箍缩机可以把等离子体压缩得非常致密，温度也可以加得很高，但等离子体的箍缩非常不稳定，只能维持很短的时间就会解体。相比之下，等离子体在仿星器中的约束时间会长一些，但加热加压非常困难，同样难以满足劳森判据的要求。所以当年最先进的核聚变装置的Q值还不到1/10000，距离正能量差得太远了。

横空出世的托卡马克装置

就在大家心灰意冷，几乎就要放弃核聚变的时候，从苏联传来了一则让人几乎不敢相信的消息。**人类有史以来建造的威力最大的“沙皇炸弹”（5000万吨TNT当量）的设计师安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）设计了一个名为“电磁线圈环形室”（Toroidal Chamber with Magnetic Coil，即Tokamak，以下简称托卡马克）的磁约束装置，大大提高了等离子体的稳定性。**这个新装置相当于仿星器和箍缩机的混合体，外形有点像轮胎，内含多组线圈，有些线圈负责形成强磁场，从外部来约束等离子体，有些线圈负责箍缩，从内部来约束等离子体。萨哈罗夫希望这个设计能够把仿星器和箍缩机的优点结合起来，实现性能上的飞跃。

这件事再次证明，创新不是凭空而来的，而是各种旧事物的全新组合。

第一台托卡马克原型机建造于1958年，但苏联科学家直到1965年才公布了测试结果。西方科学家不相信苏联人的技术水平，没把这件事放在心上。苏联科学家又于1968年公布了第二批实验结果，依然没能打动西方同行。于是苏联政府邀请英美科学家亲自来苏联做测试，结果证明各项参数都要比西方国家的类似装置好一个数量级，这下大家没有理由再不信了。

“沙皇炸弹”的设计师安德烈 · 萨哈罗夫（视觉中国 供图）

**托卡马克装置的发明挽救了核聚变产业，因为这个设计相对简单，所需技术没那么复杂，投资也在可承受的范围内，看上去是很容易成功的。**于是，包括中韩印等一大批原本对核聚变发电敬而远之的国家也参与进来，纷纷拨款建造自己的托卡马克原型机，为即将到来的核聚变时代培养人才。在各方努力下，核聚变迎来了一段高速发展期，1969～1999年的Q值增加速度甚至快过了微电子行业的摩尔定律。

回望那个黄金年代，有3个核聚变装置值得一提，这就是美国的TFTR、英国的JET和日本的JT-60。TFTR是由普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）负责建造的，它是全球第一个尝试用氘氚各占一半的核聚变燃料发电的托卡马克装置，输出功率首次突破了1万千瓦大关。JET就是前文提到过的建于英国的托卡马克装置，于1997年用等比例的氘氚燃料创造了Q=0.67的世界纪录，即用2.4万千瓦的能量输入，换来了1.6万千瓦的能量输出。

最值得一提的是日本的JT-60，这个装置在技术参数上要好于前两者，曾经创造了5.22亿℃的离子温度世界记录。但因为日本在放射性材料的使用上存在诸多限制，日本科学家只能用氘来做实验，测出的Q值不高。但如果将实验结果换算成氘氚的话，JT-60的Q值达到了1.25，首次实现了正能量。

2020年7月28日，法国南部，技术人员在制作磁场绕组，该设备用于国际热核聚变实验堆（ITER）的托卡马克装置中

在任何领域，如果某位科学家说我的装置虽然实际上没有达到指标，但通过计算证明已经达到了，大家肯定都会笑他狂妄。但在这个案例里，日本科学家做出的数据却相当可信，因为根据劳森判据，专家们已经可以相当准确地计算出实际条件的Q值了。换句话说，在核聚变领域的专家们心目中，核聚变的Q值早已超过了1，大家关心的已经不再是Q值是否超过1这件事，而是能否把Q值提高到1的很多倍，毕竟大家做研究的目的是为了实现商业发电，必须把各种能量损耗考虑进来，因此Q值越高越好。

于是，大家的心思全都放在如何大幅度提高Q值上来了，而托卡马克装置仍然被认为是最有可能实现这一目标的技术路径。

激光小插曲

读到这里，细心的读者肯定会问，此次新闻里提到的核聚变装置用的是激光，不是托卡马克啊？没错，这次将Q值提高到1以上的装置用的是高能激光，这是在1960年代初期由苏联科学家尼古拉·巴索夫（Nikolai Basov）和中国的王淦昌院士分别独立地提出来的。**此法本质上靠的是聚变原料的惯性，所以又被称为惯性约束法。**虽然此法只能维持很短的约束时间，需要不断地启动激光发生器，但因为激光束可以产生极高的温度和压力，理论上能够弥补约束时间的不足，从而满足劳森判据的要求。

问题在于，高能激光属于军工范畴，一般人玩不起，只有少数几个军事大国尝试过这一技术路线，结果发现这个方法需要对激光束进行极其精准的操控，技术上太难实现了，所以进展更加缓慢。此次新闻的主角LLNL原本就是一家军事单位，他们的主业是研究激光武器，核聚变研究只是顺手为之。LLNL投资40亿美元建造的“国家点火装置”（National Ignition Facility）花了十多年时间才首次实现了正能量。这一次，他们用192束高能激光对准了一个只有豌豆那么大的容器，激光产生的巨大能量终于让容器内的氘和氚发生了高效的核聚变反应。

位于合肥的EAST核聚变反应堆（视觉中国 供图）

**问题在于，这个方法涉及到大量军事机密，别家很难效仿，而这个技术路线做实验的成分居多，实用性非常差。**事实上，虽然该实验理论上的输入能量为2.05兆焦耳，但发射192束高能激光所需的能量高达322兆焦耳，比核聚变产生的能量高多了。

换句话说，**该项目本质上是一个军事项目，和民用的关系并不大。**LLNL所使用的技术路线并不适合用来发电，而这家单位做这个实验的最初目的是为了研制核武器，和发电更是没半毛钱关系。当然了，作为全世界第一家实现了Q值大于1的实验室，这项研究的象征意义还是很大的，起码为广大民众普及了核聚变的知识，否则我这篇文章是没人看的。

核聚变的商业化

当日本的JT-60实现了理论上的Q值大于1之后，核聚变专家们心里就有底了。他们确信核聚变发电理论上肯定是可行的，只要把托卡马克装置做大一点就行了。于是，经过一番讨价还价之后，中印日韩美俄以及欧盟这7个成员于2007年发表了一份联合宣言，决定在法国南部的卡达拉舍（Cadarache）建造一个全世界最大的国际热核聚变实验堆（ITER），从工程的角度探讨建造商业核聚变发电站的可行性。

2020年11月4日，一列装有核电站废弃物的火车停靠在德国比布利斯镇（视觉中国供图）

经过计算，专家们相信核聚变反应堆的Q值至少应该大于5才可能有商业价值。要想做到这一点，一定要想办法增加等离子体的体积和约束时间，这就必须把托卡马克装置的真空室做得很大才行，配套的电磁铁当然也就必须做得更大。设计中的ITER是一个有15层楼那么高的庞然大物，其核心是一个30米高，直径28米，重达2.3万吨的圆柱型反应器。高达1.5亿℃的等离子体将在一个半径约为6.2米的轮胎型真空室内做圆周运动，约束其行为的磁场强度在线圈表面将达到14特斯拉，是冰箱贴的一万多倍。如此强的磁场是由数块高达25米的电磁铁营造出来的，整个装置所使用的线圈总长度超过了10万公里。这些线圈必须降温至4K，也就是零下269℃的低温才能实现超导，所以ITER将成为宇宙中温差梯度最大的装置，其工程难度可想而知。

**如此庞大的装置，任何一个国家都是很难单独完成的，团结协作是唯一的选择。**ITER的想法最初来自戈尔巴乔夫和里根在1985年进行的一次美苏高峰会谈，双方一拍即合，随后法国和日本迅速跟进，变成了一个4方合作项目。初步计算表明，ITER可能需要花费100亿美元，这将把4个国家所有的核聚变预算都吃掉。因此一些科学家提出了反对意见，认为不应把宝全都压在托卡马克装置上，应该留出一些经费探索其他的方法，比如仿星器和球马克（Spheromak）等。另一些科学家则认为，ITER项目耗时太长，可能还没等建成就已经过时了。

2021 年 9 月 17 日，英联邦核聚变系统公司的 CEO 站在一台超级电容测试设备上（视觉中国 供图）

于是，来自世界各国的一些富有创新精神的科学家仍然在不断探索，试图找出比ITER更经济的方法实现核聚变的商业化。比如，一群来自麻省理工学院（MIT）的核物理学家设计了一个基于高温超导材料的核聚变电站ARC，体积不到ITER的十分之一，成本更是只有ITER的百分之几，但磁场强度却能达到20特斯拉。计算表明，在输出功率不变的情况下，磁场强度每增加一倍，等离子体的体积就可以缩小16倍，ARC的高磁场强度将会大大缩小核聚变装置的体积，从而减少成本，降低自身能耗。

这些另辟蹊径的科学家们得到了资本市场的追捧。**目前融资排名第一的是由上文提到的那群MIT科学家在马萨诸塞州创立的名为“英联邦核聚变系统”（Commonwealth Fusion Systems，CFS）的核聚变公司，已经获得了包括意大利埃尼集团（Eni）和比尔·盖茨等人的资助，总金额超过了两亿美元。**这家公司希望能在2025年先建成一台基于ARC设计方案的原型机SPARC，体积只是ITER的1/65，Q值达到3以上。如果试验成功的话，他们计划于2030年建成一台百万千瓦级的ARC核聚变发电站，实现并网发电。资本市场显然非常看好这家公司，就在2021年的9月，该公司造出了表面磁场强度达到20特斯拉的高温超导环向磁场线圈原型件。两个月后，该公司便获得了总额高达18亿美元的B轮融资，钱景一片光明。

融资金额排第二的私营核聚变公司名叫“三氦能源科技”（TAE Technologies），总部位于美国的加利福尼亚州。这家公司采用的技术名叫“场反位形”（Field Reversed Configuration），可以将其看成是没有中间线圈的磁约束装置，和另一种很有前途的球马克装置非常相似。因为没有中间线圈，这两种磁约束装置的结构要比托卡马克简单多了，如果真能成功的话，将极大地降低核聚变电站的造价。截至2021年底，该公司已经获得了8.8亿美元的融资，投资方包括谷歌、高盛和微软公司的共同创始人保罗·艾伦（Paul Allen）等，同样是星光灿烂。

另一位明星投资人，前世界首富杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）则看中了一家名叫**“通用聚变”**（General Fusion）的加拿大公司，该公司发明了一种介于磁约束和惯性约束之间的新的核聚变技术，利用机械泵来压缩处于磁约束中的等离子体。这家公司已经拿到了3亿美元的融资，于2022年开始在英国建造一台原型机，具体细节尚未公布。不过该公司曾经发表过一篇关于球形托卡马克（Spherical Tokamak）的论文，不知是否暗示他们即将转型，或者参考了这种新的设计方案。

**据统计，目前全球至少有20家私人企业在探索核聚变发电的商业可行性，这个行业俨然成为资本的一个新战场。**除了气候变化带来的能源行业红利之外，很大原因就在于现有的这批国家投资主导的大型核聚变装置仍然以科研为主，缺乏商业方面的考量。不少私人企业采取了完全不同的策略，即先用较低的成本造出原型机，然后一边做实验一边做修改，希望借助工程手段提高性能，争取早日实现商业发电。

结语

初看起来，这些初创公司和国家级实验室之间的关系有点像美国航空航天局（NASA）和太空探索技术公司（SpaceX）之间的竞争。前者从政府拿钱，做的都是为全人类服务的大项目。后者是埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的私人企业，用比NASA少得多的经费和快得多的速度开发出了可重复使用的运载火箭，极大地降低了太空运输的成本，开创了载人航天的私营时代。如今的ITER几乎和NASA一样庞大，而像CFS和TAE等公司则一直以马斯克为榜样，后者甚至从SpaceX公司挖了好多人过去，试图复制马斯克的成功模式。

但是，如果仔细比较一下的话，这个类比并不十分恰当，因为太空旅行已经被NASA等国家机构证明是可行的，SpaceX只不过利用商业公司特有的灵活性和自主性对现有航天技术进行了改进而已，双方均能从这种差异化竞争中受益，结果也确实是皆大欢喜。但可控核聚变尚未成功，还有很多科学和技术问题没有解决，国家机构的重要性是不可替代的。

从这个意义上说，LLNL所做的贡献绝对不容小视，担得起“里程碑式的成就”这一盛名。对于核聚变这样具有超高难度的新技术，我们必须全力以赴，国家和私企通力合作，利用各自的优势分别探索。毕竟这是一项足以改变世界的技术，早一天实现目标，我们就能早一天过上幸福的生活。

 排版：菲菲 / 审核：同同

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