读了这本书你会明白，可控核聚变就像太极剑

摘要：这是什么书呢？大家知道，我科普得最多的领域是量子信息，而其次大概就是核聚变。我对量子信息确实下过巨大的功夫，读了很多教材、论文，所以各种层次的问题都能回答，但以前对核聚变的了解并不是很多，所以只能做一些比较浅层次的科普。而最近读的这本书，就改变了这种状况。它是

大家好，4月23日是世界读书日，我来向大家推荐一本我最近读的收获最大的书。

这是什么书呢？大家知道，我科普得最多的领域是量子信息，而其次大概就是核聚变。我对量子信息确实下过巨大的功夫，读了很多教材、论文，所以各种层次的问题都能回答，但以前对核聚变的了解并不是很多，所以只能做一些比较浅层次的科普。而最近读的这本书，就改变了这种状况。它是一本核聚变的科普著作，但内容之深、之广，是我在核聚变科普中从来没有见过的。

袁岚峰著作《量子信息简话》

所以，请让我向大家隆重推荐《一个不可或缺的真相——聚变能源如何拯救地球》（An Indispensable Truth: How Fusion Power Can Save the Planet）。

《一个不可或缺的真相——聚变能源如何拯救地球》

此书作者是陈凤翔教授，英文名Francis F. Chen，很多等离子体专业的人都是看着F. F. Chen的教科书入门的。

陈凤翔（http://www.seas.ucla.edu/~ffchen/）

陈凤翔教授极其资深，——他生于1929年，已经95岁了！他出生在中国广州，1954年在哈佛大学获得博士学位，毕业后先后在普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校任教，1995年获得美国物理学会的等离子体物理麦克斯韦奖。此书中自我引用了陈凤翔1955年的文献，这让我大吃一惊，因为他当时只有20多岁！这说明他在核聚变研究刚开始的时候就参与其中，现在肯定是这个领域全世界最资深的元老之一了。

《一个不可或缺的真相》这本书是2011年出了英文版，2020年出了中文版，——在陈凤翔教授91岁的时候。此书的内容分为两部分。

第一部分叫做“为什么聚变是不可或缺的”，其实是一个对各种能源的综述。所以如果你读了这部分，你对新能源的了解就超过了99%的人。

第一部分相对比较简单，而第二部分叫做“聚变工作原理和用途”，它的难度呼呼地就上去了。很快我就发现，至少得具有物理专业研究生的水平，才能看明白这部分。其实我毋宁把它作为一个聚变领域的综述，包括历史的综述和科技原理的综述。如果你读了这部分，你对核聚变的了解就超过了99.99%的人。

啃这本书的投入很大，收益也很大。例如我终于明白了，为什么可控核聚变总是需要50年。50年前就说需要50年，现在还说需要50年，以至于很多人认为这是个骗局。其实这是因为可控核聚变的难度很大，而历史上科学家们多次低估它的难度，所以给出过于乐观的预言。多次跳票之后，很多人就开始怀疑整个这个领域的可信度了。但其实进步还是很大的，我们对等离子体物理的理解大大加深了。所以50年现在不是个虚数，而是实数，科学界真的预期在2070年左右实现有商业价值的核聚变发电。

中国磁约束聚变发展路线图

下面我来稍微详细地解释一下。核聚变的材料是等离子体，即原子核与电子分离的高温气体。核聚变要在上亿度的温度下才能发生，任何材料都承受不了这么高的温度，所以核聚变研究的核心问题就是对等离子体的约束。

可控核聚变有两条主要的技术路线，一条叫磁约束，一条叫惯性约束。惯性约束是用激光打靶来实现聚变，跟核武器维护比较近，跟发电反而比较远。所以大多数研究者做的是磁约束，即用磁场来约束等离子体。

美国国家点火装置（NIF）激光聚变反应过程

磁场能约束等离子体，是因为磁场对运动电荷会产生一个力，叫做洛伦兹力。它的方向是既垂直于电荷的运动方向，也垂直于磁场方向，所以最终的效果是,把运动的带电粒子约束在环绕磁力线的一个螺旋轨道上。如果能一直保持这种约束，就可以实现目标。但如果磁力线在某个地方中断了，带电粒子就会失去约束，就会飞出去撞到器壁上，把容器烧毁。因此，核心问题就成了，不能让磁力线中断。

磁场中的等离子体

看到这里，我想到了一个绝妙的比喻：磁约束就好比——太极剑！《倚天屠龙记》里有一章《太极初传柔克刚》，张三丰教张无忌太极拳、太极剑：“这路太极剑法只是大大小小、正反斜直各种各样的圆圈，要说招数，可说便只一招，然而这一招却永远出没无穷。”只要圆圈不断，就能克敌制胜。而如果圆圈断了，就要完蛋。

太极初传柔克刚

由此可以明白，一个直线的磁场是不行的，因为等离子体会从两端飞出去。一个磁铁产生的磁场也是不行的，因为在磁铁的南北极磁力线会中断。一个球形容器也是不行的，因为球里总会有一个磁场为零的地方。最简单的能产生不间断磁力线的构型，是一个环，好像甜甜圈的形状。这正是磁约束的主流装置“托卡马克”（tokamak）的原理，其实托卡马克是个俄文缩写词，它的意思是“环形真空磁线圈”（toroidal chamber magnetic coils）。

之所以这还不足以解决问题，是因为历史上每次造出一个核聚变装置，都会发现某种不稳定性。例如此书5.5节提到一个最简单也最出人意料的问题：把一个矿泉水瓶瓶口向下翻转，水马上就流出来了，为什么会这样？

你也许会感到莫名其妙，这怎么会成为一个问题？继续看才会明白，这是因为水下面有大气压，它原本可以支撑将近10米高的水柱，所以水居然会流出来是需要解释的。然后陈凤翔对此给出了解释：瑞利-泰勒不稳定性（Rayleigh-Taylor instability）。

瑞利-泰勒不稳定性

这个不稳定性的意思是，如果水面是完美的平面，那么水真的会被大气压托住。但一旦表面存在小小的涟漪，涟漪的顶部比其他地方的水压稍微小一点，那么平衡就被打破了，涟漪的顶部会变得更高，底部会变得更低。这个正反馈导致涟漪很快长大，最后形成一个气泡升到顶上，水就从涟漪下面流出。

等离子体之所以难以约束，就是因为各种各样诸如此类的不稳定性。不过，这些困难也不是永远无法克服，科学家还是发现了很多有利的效应，例如“高约束模式”（high-confinement mode，简称H-mode）。2023年4月，中国科学院等离子体物理研究所的全超导托卡马克EAST就实现了世界上最长时间可重复的高约束模等离子体运行（http://www.ipp.cas.cn/xwdt/ttxw/202304/t20230413_739595.html）。

EAST装置获得403秒的稳态高约束等离子体性能参数

此外，设备越大，等离子体就越容易约束。所以我们看到核聚变设施造得越来越大，造价也越来越高。现在正在法国组装的国际热核聚变实验堆（ITER）造价高达上百亿欧元，成了全世界最大的国际合作科研项目。这并不是骗局，而是变大确实有变大的好处。顺便说一句，ITER主机安装的唯一承包商就是中核集团牵头的中法联合体。

中核集团牵头完成ITER杜瓦下部冷屏吊装（https://www.ccnta.cn/show-97-5036-1.html）

归根结底，核聚变还是一种大有希望的能源，因为它清洁、高效，尤其是原料几乎无穷无尽。再说，如果不用核聚变，难道还有更好的选择吗？假如几百亿元你觉得是不可承受的负担，那么为争夺能源发动战争难道会更便宜？

在此书出版之后，2012年，《今日物理》（Physics Today）对陈凤翔做了一个采访，问什么促使他写这本书（https://pubs.aip.org/physicstoday/Online/1382/Questions-and-answers-with-Francis-F-Chen）。他的回答是：