最近经常看到一些中国在可控核聚变的最新成就的报道，使人往往感觉咱们中国在可控核聚变已经世界领先，很快可以实现这个令人敬畏的科技目标了。科学家和工程技术人员为实现这个目标的努力令人敬佩，但成就到了什么地步，距离目标有多远，一般人都不了解，我在这简单科普一下。
太阳和天上其它恒星一样，它们发光发热靠的是内部的氢在高温高压下发生聚变反应--两个氢原子合成一个氦原子，同时产生大量的能量。
人类利用这个原理做出了氢弹。氢弹需要一个称引爆器的原子弹核心，首先原子弹引爆，爆炸的高温高压让氢弹里的氢发生聚变反应，产生的能量远高于一般原子弹，所以氢弹的爆炸力也更强。由于用氢进行聚变需要温度太高，所以实际上氢弹使用氢的两个同位素氘和氚进行聚变反应。
可控核聚变（人造太阳）就是使用同样的原理，但发生的聚变反应是可控的，缓慢的。产生的巨大能量则用于对人类有益的事，如发电等。氘在自然界很丰富，据估算一升海水里的氘用于核聚变产生的能量就比一升汽油还多。因而掌握了可控核聚变，人类几乎有无穷无尽的能量来源，可完全脱离目前对石油，煤炭等化石燃料的依赖。
因为聚变反应要求的温度高达一亿多度，没有什么容器能装下而不被高温破坏。人们就用磁场来约束参加反应的氘和氚--它们在高温下已变成了等离子的状态，能被磁场控制。一种最常用的磁场约束等离子的装置叫托卡马克，由苏联人发明。
可控核聚变在50年代末曾乐观地被科学界和大众认为是并不太困难的目标，因为氢弹已经验证和做出多年了，托卡马克装置也早在1951年就被苏联人发明。那时的普遍估计可控核聚变在20-30年内应该可以实现。
但现实的进展出乎所有人的意料之外，这60多年来，各个国家的顶尖科技人员不断地解决许多难题，不断有进展，但是发现离最终的目标总是在20-30年以后。
这些年来，托卡马克装置中磁约束的磁场强度不断地提高，电磁铁也由常温的进展到今天的超低温的超导电磁铁，磁场的控制设计也不断地改进，让等离子体的约束时间不断增加，加热等离子的电流也不断提高。用两个主要指标来表达进展就是等离子体的温度及约束维持时间，中国的装置最近达到了1亿摄氏度度及100秒--为目前世界最领先。但是，离开期望的1.5亿摄氏度度和400秒还有一大段距离。何况，该装置只演示氢等离子体的加热，并非进行氘和氚的热核反应。
任何装置的氘和氚热核反应必须达到的最起码目标--输出能量大于输入能量，不光中国的装置做不到，所有世界上其他装置也还达不到。用Q值代表输出和输入能量比，目前做得最好的是英国JET装置，Q=0.67--用2.4万千瓦热能输入等离子体（实际装置耗电70万千瓦），氘-氚聚变反应产出1.6万千瓦热能！
现在全世界都期望的是在法国建造，所有主要大国都参加，耗费180--200亿欧元的国际合作巨型ITER项目。

ITER的剖面示意图

ITER的工地和外观
ITER的目标是Q=10--用5万千瓦热能输入等离子体（实际装置耗电30万千瓦），聚变反应在1.5亿摄氏度下维持400秒的间歇，并能产出50万千瓦热能。ITER预期2025年建成并开始加氢试验等离子体,2035年后才真正用氘-氚聚变反应以验证。ITER将没有发电部分，当然如果使用55%的典型发电效率，其50万千瓦热能转换出的电力为27.5万千瓦--还不够自己运行所需的30万千瓦！所以，即使考虑发电，它只是个没有纯电能输出，反而需要外部电力才能运行的装置。
而可用来发电，指导性的商业应用的国际合作DEMO堆预期2040开工（推后几乎注定），真正批量建成的成功商业堆（一般认为要Q>=100）恐怕50-100年后也难以指望！
目前的工作就是不断烧钱。美，俄经过几十年的大量投入，成效太慢，至今已积极性不甚高。欧盟还在努力，但烧钱太多，有点骑虎难下。目前积极性较高的就只有亚洲的中，韩，日，大概想到可利用许多别人前期的成果，现在投入较划算吧。
几大难题目前还等待去解决：
第一是在如此极端状态下做到聚变反应输出能量远大于输入能量，并能保证稳定地运行。目前所有的装置都在努力达到这一点，但走在最前面的ITER也要到2035年才开始用氘-氚进行聚变反应加以验证，目标达不到和验收推后的可能性还相当大。
装置本身需要巨大的电能来运转，比如要为达到1亿多度的等离子的加温，磁约束的超强磁场的激励电流，超导线圈须维持的超低温，反应器内部的高真空，装置散热循环等等，都会消耗巨大的电能。这些维持运转的能量对提高Q值是非常大的阻碍，即使按ITER争取的目标，也只实现Q=10,而作为最终实现的商用发电装置，目标是Q>=100，难度更是巨大，还不知需要多少年的努力。
第二是在大量高能中子辐射下的壳体选材。因为聚变反应产生的中子能量极高，数量很多，几乎没有什么材料能承受长期的高能中子轰击而不脆化变质。材料的选取和验证最后得靠ITER成功地运行后提供的环境。如果壳体寿命太短，更换处理是个噩梦，没有商用装置会接受每几年就大换核心结构的安排。注意！这些中子辐射后的壳体可是有放射性的，并非过去宣传可控核聚变没有放射性废料产生。 6park.com
第三是氚的来源问题，氚在自然界很少，由于它的半衰期是12.3年，不能长期保存。目前的氚是靠在裂变反应堆中，中子轰击锂来制造，所以价格昂贵：每克30000美金！直接用它来发电是不划算的。现在指望的是在反应堆的内层上加上锂套层，使用热核反应产生的高能中子轰击锂来增殖出氚。可是增殖出的氚可能还不足以提供全部反应所需量，因此氚的来源和价格也是个头疼的问题。
最后一点就是是发电成本如何与传统发电方式竞争的问题，一个装置是如此复杂和昂贵，如何从电费中回收成本可能是永远解决不了的难题！和许多无碳排放的发电方式，比如核裂变，太阳能，水电，风能等等相比，成本占优的那一天也许永远不会到来。
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贴主:L07438于2021_09_13 0:09:39编辑

贴主:L07438于2023_02_03 1:20:10编辑