用核聚變拯救人類能源危機，中國是希望之光嗎？

【軍武次位面】： Darcy

「中國是最有可能率先實現核聚變發電的國家。」

這個話題可能有些冷門，因為大多數人可能都不知道核聚變發電是個什麼東西。

舉個簡單的例子。鋼鐵俠相信大家都看過，沒看過的估計也都看過復仇者聯盟。不靠天賦異稟的超能力，不靠飛來橫禍的基因突變，鋼鐵俠託尼·史塔克僅憑科技的力量：一身炫酷的機甲就拯救了世界，贏得了無數粉絲。

鋼鐵俠胸前那個一直閃閃發光的方舟反應堆，不需要補充煤炭汽油等燃料，不需要放射性重金屬也不需要光照，而提供的能量密度卻高得驚人，這樣的能源在現實世界中有且僅有一種：可控核聚變。

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人造太陽

什麼是核聚變？

兩個較輕的核在融合過程中產生質量耗損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發生聚變時雖然因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應，這個反應叫做核聚變。

這是維基百科給出的定義，是不是很難懂？

簡單來講，核聚變就是兩個輕原子核（主要是指氘和氚），在一定條件下互相碰撞，並釋放巨大能量的一個過程。

這種解釋，可能也讓你看得雲裡霧裡。再舉個例子，太陽的能量從哪裡來的？就是源自其自身內部源源不斷的核聚變反應。太陽通過核聚變產生能量，把氫原子聚變成氦原子，這種發生在太陽核心的反應，每秒鐘消耗6.2億噸氫。

這會讓你對核聚變的概念更加清晰——核聚變產生的能量是非常巨大的。

核聚變的發現是在上世紀30年代，很快就被用於武器的研究。最早開展研究的是美國，然而最先將氫彈實用化的卻是蘇聯。1953年8月，蘇聯宣布氫彈試驗成功，當量40萬噸。

沒錯，人類最早應用到核聚變技術的人造工具，是氫彈。

▲1952年美國在太平洋上的氫彈實驗。

▲據說朝鮮的氫彈長這樣。

但氫彈的核聚變反應是不可控的，所以它才能產生比原子彈大得多的威力。太陽為什麼不會爆炸？因為它的核聚變反應是可控的。由於太陽的質量足夠大，產生的強大引力指向內部，抵消了核聚變產生的向外的力，達到了一個平衡，因此太陽才不會炸裂，才會源源不斷地給地球提供了數十億年的能量，並且還將持續數十億年。

那麼，人類能不能控制這種洪荒之力，為人類所用？研製氫彈的同時，科學家們也開始了核聚變民用化的研究，也就是可控核聚變。

但是談何容易。人們都說航空發動機和晶片研究起來真難，但這兩位要是跟核聚變相比，簡直就是小巫見大巫。集合各國之力，以及人類頂尖科學家們的智慧，研究了數十年，卻只能略知皮毛，你就知道核聚變的研究有多難了。

有一種說法是：1950年代，科學家說，50年後人類就可以用上聚變能了；2000年代，科學家說，50年後人類就可以用上聚變能了；現在科學家仍然在說50年後就可以了……

氫彈還好說，要的就是它的不可控制性，但要想實現可控核聚變，主要難在三個方面：超高溫、高壓和維持時間。

氫的同位素氘和氚是最常見的核聚變原料，他們的混合氣體必須在超過一億度的高溫下，才能使原子核和電子分開，處於這種狀態的物質稱為「等離子體」；在足夠的高壓下，原子核才能克服相斥的力，大規模核聚變才會發生。而高溫和高壓還必須維持一定的時間，這樣核聚變才會持續。

核聚變反應的產生還必須輸出大量的能量。引爆氫彈需要用原子彈，但也只是需要那一瞬間的巨大能量，而可控核聚變反應的整個過程，需要源源不斷的能量輸入。因此聚變輸出的能量必須大於輸入，可控核聚變才有應用價值。
因此，可控核聚變的研究也被稱為「人造太陽」。

但就這個一億度的溫度，地球上已知的任何材料都無法承受，目前人類已知熔點最高的鎢也不過只有3000多度。

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冷戰都阻止不了人類的團結

早期的科學家們嘗試了很多方案，包括仿星器、箍縮機、磁鏡等，但這些裝置都不穩定，實驗效果很不理想。這時候核聚變技術領先的是美國和英國，兩國相互競爭，但最後以失敗而告終。

就在全世界的科學家們陷入絕望的時候，1958年，在日內瓦舉行的「原子與和平」大會上，一直為世人所忽視的蘇聯代表團發表了自己的研究成果——託卡馬克，俄語的意思是環狀磁容器，這是一種利用磁約束來實現可控核聚變的環性容器。

說簡單點，這個裝置周圍有一圈電流環，通電後產生強大的磁場，磁場將超高溫狀態下的等離子體圍在中間，但是不會與裝置接觸，這樣就不會燒毀裝置。

▲蘇聯的第一個託卡馬克——T-1。

但那是在冷戰時期，西方世界主導的核聚變研究，沒有人瞧得上蘇聯的研究成果，因此很長時間沒人相信。但蘇聯不管，一直繼續著自己的研究。

隨著研究的不斷深入，蘇聯的成果一個接一個，託卡馬克裝置不斷更新換代，而英美等國的各種嘗試還是不見起色。

1968年，在冷戰最激烈的時期，憋不住的英國科學家們被允許參觀蘇聯的庫爾恰託夫原子能研究所。經過漫長的安裝和實驗過程，該團隊最終在1969年8月宣布：蘇聯人的研究方向是正確的。

英美被狠狠地打了臉，這一宣布也在西方國家引起轟動。

▲赫魯雪夫還曾前往英國參觀他們的核聚變設施。

看到這，有人也許會有疑問，既然是冷戰最激烈的時期，蘇聯為什麼會分享自己的研究成果給英國？

其實不是分享給英國，而是分享給全世界。

這首先得從人類現在所用的能源說起。我們經常會聽到能源危機四個字，但大家可能不清楚能源危機到底有多嚴重。

我們現在所使用的能源大部分都是化石能源，包括煤、石油以及天然氣等，這些能源都面臨著很大的問題。

首先就是它們是非常有限的。人們印象中煤應該是很多的，中國絕大部分的電力都是燒煤的火力發電，但是根據估算，目前煤炭的儲量大概還能再供人類使用200年。石油就更慘了，只能使用幾十年。

即使到現在，人類主要的能源來源還是化石燃料。人類必須為自己的未來想一條後路，不能幹等著化石燃料用盡那一天的到來。

化石燃料還導致了很嚴重的汙染，比如這些年在中國很嚴重的霧霾，很大程度上就是因為燒煤導致的。於是人們開發出了各種清潔能源，比如風能、太陽能、潮汐能等，然而清潔能源也面臨自己的問題——造價比較高、發電量有限。

核電站呢？核電站使用的核裂變技術，所用的燃料也是化石燃料——鈾，這也是一種有限能源，開採幾十年也會開採完。

而且核電站還面臨洩露的問題。車諾比核電站、日本福島核電站都發生過核洩漏，而且都很嚴重，一旦洩露對人類產生的影響不可估量。如果成為恐怖分子襲擊的目標，後果更是不敢想像。

▲福島核電站事故。

另外核電站產生的的核廢料也很難處理，因為廢料是有放射性的，可以放射幾百年幾千年，甚至是上百萬年。

對比之下，核聚變的優勢就體現出來了，簡直堪稱完美。

首先，核聚變的效率更高。核裂變的效率就已經非常高了，1克的鈾235裂變出的能量大概相當於1.8噸的汽油。而用1克的氫或者氫的同位素氘和氚進行聚變的話，可以釋放出的能量相當於8噸汽油。

核聚變的第二個好處就是它的原料非常豐富。核聚變用的燃料主要是氘和氚，這兩種元素海水裡面多的是，一升海水裡面產生的氘和氚，核聚變產生的能量相當於300升汽油。

這就是真正意義上的「水變油」了。假如我們把整個大海裡所有的氫的同位素都拿過來聚變的話，這個能量大概相當於世界石油儲量的1000億倍，可以供人類使用幾百億年，用到太陽爆炸也用不完。

核聚變還有一個好處就是安全、清潔。由於核聚變的反應條件十分苛刻，必須高溫高壓高密度，一旦發生洩漏，也不必害怕，因為只要一停機，聚變反應就停止了，而且氘和氚的放射性，但是它的放射性半衰期是12年，也就是說經過幾十年之後基本上就沒有放射性了。

高效，安全，無汙染，且取之不盡用之不竭，這就是人類解決能源問題的終極方案，所以很多國家都趨之若鶩。

然而，核聚變研究所面臨的困難，以及巨大的資金投入都不是一個國家所能解決的，這需要全人類的努力。各國都心知肚明，因此自然而然就走上了的團結的道路。

在1985年日內瓦首腦會議上，裡根和戈巴契夫聯合倡議建立一個核聚變研究的國際組織，於是，「國際熱核聚變實驗堆」項目於1988年正式啟動。當時僅有四個國家和聯盟參與，分別是美國、蘇聯、歐共體和日本。

▲兩個死對頭坐在一起談笑風生，商討人類未來

理想很崇高，但真正實行起來大家卻有各自的算盤。

美國想得是，在這上面燒這麼多錢，勢必會影響到國內的核聚變研究，而且國會要照顧到石油集團的利益，不會輕易撥款支持新能源。俄羅斯自蘇聯解體後，經濟出現問題，靠賣石油續命，對合作計劃也不是很上心。而日本被90年代的股市、房市泡沫打垮，也沒多少錢去支持研究。

只剩下歐盟一家還在堅持，所以進展一直很緩慢。

即便如此，中國工程院院士，也是我國核聚變研究的領頭人李建剛曾說過，「核聚變研究可能是全世界科學家合作最好的一件事。」從這句話你就能理解為何冷戰都阻擋不了人類在核聚變研究上的合作了。

那麼中國的核聚變研究呢？

3

兔子的崛起

當時的中國經濟、技術十分落後，因此也沒人願意帶我們玩。但我國的託卡馬克研究開始的時間也不晚。

當世界的可控核聚變研究如火如荼時，中國「人造太陽」的建設也沒有掉隊。

早在1955年，錢三強和剛留美歸來的李正武等科學家便提議開展中國的「可控熱核反應」研究，這與國際社會關注核聚變幾乎同步。

1965年，根據國家「三線」建設統一規劃，在四川省樂山市郊區，建立了當時中國最大的核聚變研究基地——西南物理研究所，這也是中核集團核工業西南物理研究院的前身。

而中國核聚變研究史上的重要裡程碑，當屬1984年中國環流器一號（HL－1）的建成。這是中國核聚變領域的第一座大科學裝置，它為中國自主設計、建造、運行「人造太陽」培養了大批人才，積累了豐富經驗。

然而這跟世界先進水平還有一些差距。

一個偶然的機會，讓中國的託卡馬克有了飛躍的機遇。

蘇聯解體後，經濟陷入困境，沒錢去維護一臺名為T-7的託卡馬克，拆了又怪可惜的。既然是關係到全人類的事業，「送」給別國是一種不錯的選擇。但送給歐美諸強又不甘心。

於是就想到了中國。莫斯科的庫爾恰託夫研究所給中國寫信，表示願意贈送超導託克馬克裝置T-7，而蘇聯研製的第一個託卡馬克，名叫T-1，所以T-7可謂根正苗紅。

其實名曰贈送，中國也沒白拿，而是用了價值400萬的皮毛、瓷器和家具等物資，換來了一臺價值1800萬盧布的託卡馬克，簡直賺翻了。

後來呢？後來發生的事情我猜你肯定也能猜到，中國的核聚變事業開始起飛。

經過不斷的拆解和改造，在T-7的基礎上，中國科學院等離子體物理研究所於1994年建成了HT-7超導託卡馬克，也就是「合肥超環」。中國掌握了超導託卡馬克技術，成為了繼俄羅斯、日本和法國之後，世界上第四個擁有此類裝置的國家。

在HT-7上，中國科學家做了很多實驗。一系列的實驗結果表明，HT-7成為繼法國Toresupra裝置之後，世界上僅有的兩個可進行高參數穩態條件下等離子體物理研究的國際合作平臺之一。2008年3月21日凌晨，HT-7連續重複實現了長達400秒的等離子體放電，電子溫度1200萬度，打破了法國保持的記錄

專業術語看不懂？其實你不用懂，只要知道合肥超環很牛就行了。

更關鍵的是，HT-7為中國造就了一大批優秀工程技術、科研和管理人才，也為中國聚變研究事業的持續發展奠定了堅實的人才基礎。

合肥超環的建造過程中，很多零部件還需從俄羅斯進口，很多時候還需要俄羅斯專家來檢修，核心技術並沒有百分之百實現國產化。

有一次，請來一位俄羅斯專家，下午5點多乘飛機抵達，那位專家先是要吃飯、要喝酒，後來又說累了要休息，全所上下幾百人就眼睜睜地等著他休息好。從那時起，等離子體物理研究所就下定決心，最關鍵的技術部分，一定要百分之百國產化。

兔子的潛力你們懂的。又過了10年，也就是2009年，世界上首個全超導非圓截面託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首輪物理放電實驗取得成功，標誌著我國站在了世界核聚變研究的前端。

EAST又被稱為「東方超環」，絕大部分零部件都實現了國產化，並且關鍵的技術部分實現了百分之百國產。

隨著中國的聚變事業開始走向國際舞臺，國際熱核聚變實驗堆項目也開始找上了中國。

2002年，歐盟、日本、俄羅斯經過協商，歡迎中國加入。曾於1999年退出的美國看到中國都加入了，於是也宣布重新加入，韓國和印度也被拉了進來。

商議的最終結果是，歐盟承擔45%的建造任務，其餘六國分別承擔9%，總投資100億歐元，要建造世界第一個真正意義上的人造太陽。計劃用10年時間建造反應堆，然後用20年的時間運行實驗，最後5年用以拆除設備。

計劃得很好，但實際執行起來卻麻煩不斷。首先是在選址問題上出現了嚴重的分歧，日本、法國、西班牙、加拿大都想把這一項目拉到自己國內。後來，西班牙、加拿大實力不夠先後出局。

就剩下了法國和日本就實驗堆的選址問題爭執不下。法國希望建在本國的卡達拉舍，而日本則希望建在自己的青森縣六所村。

其它成員國都根據自己的利益各有支持，美國、韓國支持日本，歐盟、俄羅斯支持法國。

俄羅斯支持法國除了有歐洲地緣政治的關係之外，更主要是在很多國際問題上俄羅斯和法國立場相近，美韓和日本是同盟關係，美國在伊拉克等問題上與法國很「不愉快」，而日本則旗幟鮮明地與美國站在一起。

關鍵的一票就拿捏在了中國手裡。為了拉攏中國，日本曾私下承諾，如果中國支持日本，項目建成後，日本將出讓10%的高層職位。

但中國最後還是從實事求是出發，出於安全考慮表示支持法國，因為日本存在地震和海嘯問題。一旦出現地震摧毀ITER的情況，各國所有的努力都會功虧一簣。

所以ITER最終建在了法國的卡達拉舍。

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希望在中國

然而，從2006年七方籤訂協議到現在，14年過去了，國際熱核聚變實驗堆還沒有建成，更別提實驗了。

由於工程量巨大，困難超出預期，各國的利益訴求也不一樣，互相扯皮，導致工期一拖再拖。但中國卻總是能按時保質保量地完成自己的任務。

▲ITER的建設。

2019年9月，在中核集團的牽頭下，成立了的中法聯合體，並與ITER組織籤訂了託卡馬克主機TAC-1安裝標段工程合同，也就是說，實驗堆的核心部件的安裝都交給了中國。之後，工廠建設的速度立馬加快。作為該標段的第一個重要工程節點，今年5月，中國完成了杜瓦底座（託卡馬克裝置壓力容器的底座）的吊裝工作，這個1200噸的底座，等同於大樓的地基，託卡馬克的所有重要設備，都要放在上面。

就在前不久，國際熱核聚變實驗堆最後的工程安裝也正式啟動，距離建造完成只是時間問題。ITER組織總幹事貝爾納·比戈在啟動儀式發布會上說，中國以快速的工程反應和科研進步，成為各合作方中兌現國際承諾的典範。

從一無所有，到後來居上，並擔負起身為一個大國的責任，中國用了50多年的時間。

有人會問，我們為什麼要傾盡全力去參與這樣一個看似虛無縹緲的項目？

因為中國對核聚變發電的需求比任何一個國家都急迫。

我國是一個能源大國，在本世紀內每年的能耗都將是數十億噸標煤。由於條件限制，在長時間內我國能源生產都將以煤為主，所佔比例高達70%。考慮到我國社會經濟的長期可持續發展，我們必須儘快用可靠的非化石能源（如核裂變或核聚變能、太陽能、水能等）來取代大部分煤或石油的消耗。

▲東方超環內部。

因此，必然應該在能力許可範圍內積極開展核聚變能的研究，儘可能地參加國際核聚變能的大型合作研發計劃（如ITER計劃）。我國參加ITER計劃是基於能源長遠的基本需求。

而且，我國的的人口是美國的五六倍，但是我國每年人均使用的能源其實只有美國的1/13。假如我們想達到跟美國一樣的生活標準的話，那我們每年所需要的能源將是美國的數倍。到時候整個世界能源可能都不夠我們一個國家消耗的了，所以我們必須得研究出一種更加高效清潔的能源來。

就在今年4月，「東方超環」的等離子體中心電力溫度，首次實現1億攝氏度運行近10秒，再次創造了核聚變的世界紀錄。

▲東方超環內部的等離子體。

除了保證完成ITER交給的任務，2017年，中國開始建造自己的核聚變實驗堆項目——中國聚變工程實驗堆（CFETR），借鑑了ITER的很多技術，計劃在2035年建成。

目前ITER的功率是50萬千瓦，我國未來的新實驗堆將實現200萬千瓦，聚變功率是ITER的4倍。

▲中國聚變工程實驗堆

目前，世界上先進的託卡馬克裝置，包括法國的Tore-Supra、俄羅斯的T-15、日本的JT-60U和中國的東方超環EAST，但這些都是實驗裝置，主要用來研究核聚變。

而我們中國的聚變工程實驗堆的目標，是要真正實現核聚變的發電，並將核聚變發電實現商業化，最終徹底解決中國的能源危機，以及解決世界的能源危機。

所以，我們可以大膽推測，如果人類將來真的實現了核聚變發電，那麼它點亮的第一盞燈，一定會在中國。

如果真是如此，這才是真正意義上的的拯救世界。