摘要：“聚变能时代离我们还有多远？答案是已经不远了。”“什么时候聚变电站发出的电可以进入到千家万户？过去有一个笑话，说聚变能离我们永远有50年，现在这个笑话已经过时了，我们估计应该在20年之内聚变能就会进入千家万户。”

*本文仅在今日头条发布，请勿转载

“聚变能时代离我们还有多远？答案是已经不远了。”

“什么时候聚变电站发出的电可以进入到千家万户？过去有一个笑话，说聚变能离我们永远有50年，现在这个笑话已经过时了，我们估计应该在20年之内聚变能就会进入千家万户。”

可控核聚变不再是50年了？这是前几天在未来科学大奖十周庆典上，五院院士物理学家张杰教授所说的话。有幸我刚好就在现场。

张杰教授为什么会说“可控核聚变20年之内就要走进千家万户”了呢？别着急，听我慢慢道来。

先来说，什么是可控核聚变？核聚变，顾名思义就是两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。比如说最常用的核聚变反应就是用氢的同位素氘和氚，1个氘和1个氚聚变，生成1个氦核+1个中子，同时释放出大量能量。

为什么聚变反应会释放大量能量？因为这个反应之后，质量是亏损的。也就是反应前质量多，反应后质量变少。丢失的质量去哪了？根据爱因斯坦的质能方程（E=mc²），这部分质量将以能量的形式体现出来。

虽然亏损的质量很小，但是注意，乘以的是光速c的平方，所以产生的能量是巨大的。理论上几克反应物，就可以产生1万亿焦耳的能量，也就是1太焦耳。这些能量基本上可以满足一个普通家庭30年左右的用电需求，足以见得核聚变产生的能量有多么多。

有人可能会说，核裂变产生的能量也很高，而且技术已经很成熟了，为什么还要研究核聚变？

首先，同等质量的聚变原材料能够转换的能量，要比核裂变高。

第二，相较于核裂变，核聚变的原材料主要是氢的同位素氘和氚。大海中含有大量的氘，氚因为半衰期短，在自然界比较少，但是也比较好人工合成。而用于核裂变的原材料铀和钚主要来源于矿产，数量有限，在可预见的未来依然还是会出现能源危机。但如果是核聚变，保守估计，仅仅是大海当中的氘就能够为全人类提供100亿年量级的能源，完全不用为能源发愁了。

第三，相比较之下核聚变的放射性更少，我们能容易接受。因为氢的前三种同位素，氕也就是氢原子和氘就是重氢，这两个是稳定元素，不存在放射性。而氚虽然具有放射性，不过半衰期只有12年左右，而且聚变的产物主要是氦。氦气是惰性气体，这一点相比较于核裂变来说优势就太大了，像切尔诺贝利核泄漏和福岛核电站的核泄漏事故，都对环境造成了严重的危害。所以核聚变才叫做清洁能源，因为它真的是太清洁了。

那我们人类实现核聚变了吗？其实已经实现了，那就是氢弹。氢弹产生的破坏性要远远大于原子弹，但氢弹是不可控的核聚变，我们想要的是可以控制的，可以稳定提供电能的装置，这个目前还没实现。

自然界也存在核聚变现象，就是太阳。太阳的核心每天都在不停地进行核聚变，为太阳系源源不断地提供着能量。太阳为什么会不停的发生聚变反应呢？因为太阳质量太大了，以至于大量的氢都被挤压在太阳的核心。太阳核心的压强大约是2600亿倍个大气压，温度大概是2000万度，正是这种高温高压的环境才能让核聚变反应得以发生。

高温高压或者说高温高密度，是核聚变反应发生的三个必要条件中的两个。另外一个是长得约束时间，也就是要长时间维持在高温高密的环境下。这就是太阳会发生核聚变的原因。

我们如何才能实现像太阳一样，还可控的核聚变呢？其实无非就是创造一个高温、高压、长约束时间的环境。目前主要有两种途径，一种是通过磁约束，另外一种通过激光惯性约束。

磁约束的典型装置叫做托卡马克，最著名的像我国的东方超环，也叫做人造太阳的EAST，在今年也就是2025年1月20日，成功实现上亿摄氏度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造托卡马克装置高约束模运行新的世界纪录。除此之外还有世界上最大的核聚变装置，国际热核聚变实验堆ITER，目前还没有完全建成，这是包括我国在内很多国家共同参与打造的项目。

而激光约束就是利用高能量的激光束，从四面八方同时照射一个燃料球，在极短的时间内烧蚀燃料球的外层，使其产生一个向内的压力波，这样就会将内部的核聚变燃料压缩到极高的密度和温度，从而引发核聚变反应。

但这种方案并不容易，因为加热和压缩是有些矛盾的，越热的气体分子越活跃，也就越不容易压缩。而且如果激光束真的从四面八方射来，也很不好控制，不利于集中。因此张杰院士很早之前就提出了“双锥对撞点火方案”，这个方案把压缩和加热的过程分开进行。

首先用两个金锥相对摆放，每个锥口都有燃料，分别用高能激光束来照射，使这两堆燃料进行对撞，这个过程主要是压缩，温度相对还是较低的。在对撞的同时再使用快电子束照射进行加热，这样更容易形成发生聚变的条件，也就是高密高温。

另外一个长的约束时间，这其实是所有激光约束方案相对薄弱的地方，用激光的方案约束时间都非常短。因为激光的功率特别大，可以比地球上所有发电站的瞬时功率还要大。那会很快耗光地球上所有的电吗？不会的，因为时间极短，都是脉冲，纳秒量级的，甚至是皮秒量级的。

对于可控核聚变是否成功，有一个重要的衡量指标，那就是得实现净能量输出，也就是反应产生的能量需要大于输入的能量。也很好理解，要不然一顿操作猛如虎，最后白忙活了。

回到开篇的问题，可控核聚变真的要来了吗？是的，美国国家点火装置NIF在2022年12月5日，首次实现了点火，并且实现了能量的净收益，产出率是154%。

国家点火装置是怎么做到的呢？它们是把两个足球场大小的激光的能量，聚焦在了两毫米的靶丸上，才实现了这一里程碑式的事件。从这开始，可控核聚变不再是理论上的存在，也终于不再是永远50年了。

我们这边进展如何呢？虽然我们的起步时间比较晚，但得益于双锥对撞点火技术上的优势，还是有望实现赶超，预计在2028年实现净增益的点火，2030年要实现3-5倍的净增益，2031年-3035年要完成工程示范演示，最终在2036年-2045年实现净增益大于100，重复频率大于50Hz的商业化运行。

所以按照这个战略目标来看，可控核聚变真的要来了！而且按照现有的方案，我们的成本比美国还要更低一些。

很多人会说，美国国家电火装置的主要目的其实并不是为了发电，而是为了核武器，确实存在这样的技术可行性。我们知道，引爆氢弹是需要使用原子弹的，就是在氢弹内部实际上有一个原子弹，通过原子弹的引爆来提供核聚变所需要的高温高压的条件，这就让氢弹很笨重。但如果引爆的过程可以通过激光来完成，那等技术成熟之后就有可能把氢弹做的比较小，这也是有很重要的战略意义的。

科学是一把双刃剑，核裂变技术刚实现的时候也是被用来制作原子弹，然后才有了核电站用来稳定的发电，所以技术无罪，还是得看如何使用这项技术，总之我们是热爱和平的。希望可控核聚变可以早点到来！

来源：妈咪说MommyTalk一点号