人类掌握可控核聚变还需要多少年 人类能源终极梦想

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开头

朋友，今天我们来干一票大的。

首先，你要创造出一个极高温的环境，有多高呢？1亿摄氏度。

就知道你对这个数字没什么概念，这么说吧，太阳中心的温度也才1500万摄氏度。

你的工作就是要在地球上造出一个“小太阳”。在这样的高温下，物质会全部电离，形成高温等离子体。

接下来，我们还要给这样的环境创造出极大的压强。

给你一个参考值，太阳中心的压强就达到了3000亿倍大气压，这个高压是为了缩小原子核之间的间距，大大提高原子核相撞的概率。

但是新的问题来了：怎样才能装下这样一个小太阳呢？

呐！送你一个托卡马克装置，它就是利用磁场来约束等离子体，使它们悬浮在真空中。

这还没完，我们的伟大事业还缺少了一项关键条件，足够长的能量约束时间。

这个很好理解，我们为了创造出高温高压的环境，是需要很大能量的，但我们不能亏本啊。

所以就尽可能的让里面的高温等离子体维持足够长的时间，以让输出的能量大于输入能量，这样我们才有的赚。

到这里，估计我的粉丝朋友都知道要干什么了吧，对，就是核聚变。

你要是把这个项目做成了，诺贝尔奖什么的随便你拿。

核聚变

说起核能的发展，就不得不提到爱因斯坦著名的质能方程E=mc²，这个方程式揭示了物质和能量是可以相互转换的。

比如原来有1公斤的铀，在发生了核裂变反应后，铀元素衰变成了其他元素，重量就剩下了0.9公斤，那其他质量呢？

确实是消失了，它以能量的形式释放出来了，而且是光速的平方那么大的规模。

而想要获得这巨大的能量，目前主要通过两种方式：核裂变 — 将原子核分裂成若干部分；以及核聚变 — 将原子核融合在一起。

核裂变我们之前聊过，它的原料铀-235在天然矿石中的含量只有0.7%，开采难度很大，没有几千个离心机都搞不定。

而且它的放射性还非常强，自从发生了日本福岛核事故后，德国都准备全面关停核电站。

虽然如今的第三代核电机组在安全性上做了不少加固措施，确实不会再发生对外的核泄漏事故。

但是核废料的处理依旧是一个大麻烦，那些放射性元素的半衰期动辄就是几百甚至上万年。

总之一句话，在核裂变的技术路线上总感觉还不够完美。

但核聚变就不一样了。

核聚变是将较轻的原子核在一定条件下结合成较重的原子核，在这个过程中会释放出巨大能量。

从理论上讲，在同等质量下，核聚变可以产生比核裂变高出四倍多的能量。

只需要有几克这样的反应物，就能产生一万亿焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量总和。

从原料上来看，核聚变使用的是氢的同位素 - 氘和氚，它们在海水中大量存在。

每1升海水中含30毫克氘，它聚变产生的能量相当于300升汽油，而氚是可以通过锂来获得。

如果把自然界的氘和氚全部用于聚变反应，释放出来的能量足够人类使用100亿年。

最后，就是安全问题。

核聚变反应只能在极端条件下发生，比如超过1亿摄氏度的高温，以及超高压。一旦聚变反应停止，放射性物质就不会持续产生，更不会发生像核裂变那样失控的链式反应。

而且核聚变在反应结束后，是不会产生高放射性、长寿命的核废物。

当前，大多数的实验聚变装置都使用氘和氚的混合物作为燃料，他们通过聚变反应后生成氦，氘和氦都没有放射性，而即使是有放射性的氚，它的半衰期只有12.43年。

从这点上来看，相较于核裂变，核聚变确实可以称得上是清洁能源了。

核聚变装置

哦，对了，目前人类正在研究的是氘和氚的核聚变，缺点就是会产生大量的中子。

而中子不带电，没法用磁场约束，这样就会造成核聚变装置的内壁会持续遭到中子的轰击，产生放射性，因此需要不断地更换内壁。

而用氦-3发起的核聚变反应是不会产生中子的。

正因为如此，氦-3才被认为是完美的核聚变燃料。但地球上的氦-3只有500公斤左右，这就导致了氦-3非常昂贵，每吨价值30亿美元。

不过，探测数据表明，月球表面就存在着大量的氦-3，初步估计其储量有上百万吨。

100多吨的氦-3就足够全人类一年的用电需求了，这就是为什么现在各大国对重返月球都有那么大兴趣的原因。

而要想上月球开采氦-3，估计还有点远，我们还是来看看地球上的核聚变到什么地步了。

自20世纪30年代以来，科学家们就一直在寻求复制和利用核聚变。最初，这些研究都是各搞各的。

然而，人们很快就发现，这种复杂而昂贵的研究只能通过协作来实现，于是就诞生了国际热核聚变实验堆计划的项目，简称ITER。

ITER计划倡议于1985年，并于1988年开始实验堆的研究设计工作。

到了2006年，中美欧俄日韩印七方共同签约，决定在法国建造国际热核聚变实验反应堆，这个项目成为了仅次于国际空间站的国际大科学工程计划。

作为世界上第一个大型托卡马克聚变试验堆，ITER工程体量巨大。

目前在法国南部建造的托卡马克装置高30米，直径28米，重达2.3万吨。

磁体系统共包括18个环向场线圈，其中一个线圈的重量就与波音747相当。而一个内真空室重量比法国埃菲尔铁塔还重。

目前该反应堆的完成率超过70%，预计在2035年进行氘氚聚变实验，在2050年左右实现核聚变商业应用。

中国进展

由于ITER是一个多国合作的项目，项目计划还时常拖延，你怎么能把希望寄托在各怀心机的国际团队上呢？

所以我国从独立自主的角度出发，集中力量办大事，打造了属于中国人自己的聚变工程实验堆，简称CFETR。

这项工程打算分三步走，2021年开始立项建设，2035年实验堆建成，开始大规模科学实验，2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设商业示范堆。

除此之外，中国还先后建成了一些研究性的核聚变反应装置。

2021年5月，中科院的“东方超环EAST”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒，和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行，创造了新的世界纪录。

不久之后，在同年12月，东方超环实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间。

2022年，中核西南物理研究院的环流器二号M装置（简称HL-2M）实现了1.5亿摄氏度的运行，百万安培等离子体电流的输出，创造了我国可控核聚变装置的运行新记录。

从这些成绩就可以看出来，中国已经达到可以引发核聚变的必要条件。

但条件满足后，并不一定就能实现核聚变，还有很多问题亟待解决，例如如何达到足够长的能量维持时间，如何让输出能量大于输入能量，如何将成本实现最小化等。

结尾

如果在上个世纪，你问科学家核聚变大概什么时候能实现，他们会说50年，而如果现在去问，他们还是会说50年。

好吧，这就有点光速不变的味道了。

但不管怎么说，现在业内人士普遍认为2050年可能是核聚变实现突破的一个关键节点。

其实，核聚变技术早已经在理论上验证了其可行性，氢弹都已经搞出来了，只是不可控，现在人类要做的就是实现工程技术上的突破。

而一旦成功运行，那么人类就可以逐步摆脱对化石能源的依赖，全球碳排放以及地球资源危机等问题都可以迎刃而解。

不仅如此，拥有无限的能源还可以让人类的文明等级有一个极大的跃迁，直接进化到行星级文明。到那时候，在星际之间穿梭就不再是个幻想。

关注我，下一期我们来聊聊核聚变实现以后，人类社会会是个什么样子。

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