科學最前沿的可控核聚變什麼時候能實現

作者：太空生物學·黃姤

在物理學界有個笑話，無論啥時候問科研人員還有多長時間能搞出可控核聚變啊？得到的回答都是應該還有30~40吧，40年前是這個回答，40年後的今天還是這個回答，雖然是這樣但可控核聚變依然是科學的最前沿全力研發的重要主題，因為它對我們來說實在是太重要了，為什麼說目前的可控核聚變研究並沒有那麼樂觀，為什麼可控核聚變非常的難，一旦成功了又意味著什麼。

什麼是核能？

這得從一條愛因斯坦的公式說起E=mc²，簡單來說就是質量和能量其實是可以相互轉換的，它們的關係就有點像水和冰那樣，並且一點點的質量就能轉化成非常大的能量，而想實現這個過程，目前有兩種方式：

• 核裂變
• 核聚變

核裂變——用中子去撞擊鈾或者鈽這種特別大的原子使其一個分裂成兩個，方式是損失質量，釋放能量。

核聚變——氫或者氦這種極小的原子在合併成大原子，方式是損失質量，釋放能量。

目前是利用核裂變來發電，利用核聚變來製造氫彈，但兩者一比較，核聚變的表現明顯是高於核裂變的。

首先，在同等質量下，核聚變所能產生的能量比核裂變高出上百倍，這就是為什麼原子彈（小男孩）比氫彈威力小的原因，如下圖所示，左下角要用放大鏡才能看到的就是原子彈的蘑菇雲，不用放大也能夠看到的就是氫彈的蘑菇雲，其中最右邊的就是前蘇聯著名的沙皇氫彈。

其次，核聚變的原料在地球上非常的豐富，一種原料是氘，海水中就蘊含著大量的氘，名副其實的爛大街。另一種材料是氚，這種元素就沒有那麼常見了，但僅在地球所能採集到的氚也足夠我們用上萬年了，而且太陽系中大量存在的氦3也是極佳的核聚變原料。

反觀，用於核裂變的放射性元素在地球的含量就很有限的了用不了太久，最後核聚變反應的最終生成物可以說是沒有發射性的，而核裂變的生成物則有很強的放射性並且放射時間還特別的長。

為什麼目前還沒有用核聚變來發電呢？

氫彈雖然厲害，但因為核聚變反應非常劇烈，所以目前只能夠用來做一些試驗，沒法用來發電，如果想通過核聚變來發電就得解決以下幾個問題：

第1個問題——溫度。

就是核聚變反應最低也需要幾百萬度的高溫，氫彈裡面都會有一顆小型原子彈，依靠原子彈爆炸時的高溫才能帶動氫彈的核聚變反應，目前我國已經可以不用原子彈也能達到上億度的高溫，在解決了高溫條件後，那麼第2個問題來了。

第2個問題——容器。

在高溫度的情況下核聚變反應既不是固體、液體也不是氣體，這時原子的電子已經和原子核分開了，它們處於等離子狀態並且這些等離子體還非常活躍，與龍捲風一樣發很快的速度四處亂竄，它所接觸到的一切物體都會被熔化，後來前蘇聯科學家想到既然等離子體是帶電的，而磁場是能對帶電體產生作用力，那麼就可以用磁場來把它約束起來，根據這個原理，託卡馬克裝置誕生了。

託卡馬克裝置就是在真空室內，用線圈通上超大的電流，電流就會產生磁場，磁場就能夠控制住這些四處亂竄的等離子體，託卡馬克裝置確實可以通過核聚變獲得能量，但是它也會帶來兩個問題。

①託卡馬克裝置的工作時長非常短，因為如果通上的電流不夠大，那麼就無法控制住等離子體，就會把裝置燒壞，如果通上電流足夠大等離子體被控制住了，但裝置的電路很快就會因發熱嚴重而不得不停止工作，雖然現在都改用了超導電路，讓電路的電阻降到約等於0，電路也就不再怎麼發熱，但接下來的問題來了。

②要維持強大的磁場和極致的超導環境，就需要消耗大量的電能，因此從產生能量的效率來看目前所有的託卡馬克裝置都是得不償失的，用產生能量和消耗能量的比值來衡量託卡馬克裝置的效率，這個比值在行業內被稱為Q值，Q值必須要大於1才有意義，當然Q值大於1還遠遠不夠，因為核聚變產生的熱量大部分都利用不了，估計只有1/5能被利用，也就是說Q值必須要大於5，如果再考慮到熱能轉換成電能，電能再轉化成磁場有損失的情況下，國際上公認的能量收支平衡點Q值必須要做到10以上，而要使核聚變發電具有商業競爭力，也就是成本要和傳統的發電方式持平，那麼Q值起碼要達到30以上。

可控核聚變研究真的已經取得了重大突破嗎？

目前日本等很多國家都經常報導說可控核聚變研究已經取得了重大突破，很快可控核聚變就能夠全面實現了，但其實這些都是標題黨，他們通常只說產生了多少能量，但卻不說花費掉的能量，更是沒有理會能量的轉換效率，而且即便是產生能量真的多於消耗能量也只能維持極其短暫的一瞬間，因此不可實用，而媒體記者不懂科技而且喜歡報喜而不報憂來吸引眼球，做了不少誤人誤己的報導，很多人在一次次受騙後也就對可控核聚變麻木了，雖然如此，但科學家們還是很努力地在可控核聚變的研究中慢慢地往前走。

目前比較確認的能夠持續產生核聚變能量的託卡馬克裝置是英國的JET設備，Q值為2/3，而歐洲在法國建設的下一代可控核聚變研究設備（我國也有參與），設計的Q值目標為10，這就又往前做了一次大的跨越，所以可控核聚變的研究進展並沒有原地踏步，雖然進展很慢，但科學的最前沿的確是在一步一腳印地在努力突破技術瓶頸。

可控核聚變還要多久才能夠現實呢？

可能要再等30~40年。如果你很關心人類未來和科技進步，想密切了解可控核聚變的進度不妨關注一樣東西——高溫超導材料。

高溫超導材料技術真正成熟了，可供核聚變就簡單很多了，因為如果能用上高溫超導技術，那託卡馬克裝置的能量就會大幅度降低，原因也不難理解，超導雖然好但是超導的條件卻非常的苛刻，要達到零下270攝氏度也就是接近絕對零度（-273.15攝氏度），要達到並維持如此低的溫度需要消耗很多的能量，而高溫超導顧名思義就是哪怕溫度沒有那麼的低也能產生超導現象，比如零下160攝氏度，甚至零下70攝氏度從而大幅度降低維持超導現象所需要的能量，Q值也就能往上提高不少，雖然還遠不能達到科幻小說的程度，但起碼比現在好上很多，但目前來看高溫超導技術的研發還需要再走上一段時間。

雖然新技術達到了高溫超導的數據指標，如果高溫超導技術能成熟，那對人類世界將會是顛覆性的，這就是為什麼之前中科院大科學家曹原發現石墨烯超導現象後，全世界的物理學家都震驚了，雖然曹原沒有像媒體瞎說的那樣直接研發出了高溫超導，其石墨烯超導研究還是在接近絕對零度的環境下進行的，但曹原的研究思路卻讓科學家們頓悟，原來研究高溫超導材料還能夠有如此簡單的方法，曹原也因此有望成為全世界最年輕的諾貝爾物理學獎得主，因為他現在才只有24歲左右。

可控核聚變為什麼如此重要

以下的討論均是以可控核聚變徹底成熟為前提。

第1點：如果可控核聚變能徹底成熟能源就會多的用不完，電費約等於不用錢，這個影響就會很大了，比如無線充電就可以全面普及，其實無線充電的技術早就有了，現在的手機就能夠在靠近無線充電器的時候充電，它的原理就是物理的楞次定律，掌握可控核聚變後能源多得用不完，無線充電站會充滿整座城市，電就像空氣一樣充滿整個城市的空間。汽車和飛行器可以持續而不用停下來補充能量，因為在空中就能直接充電，未來在我們身體中植入的儀器也不用擔心沒電了，對腦機接口，人機結合的技術應用有著非常大的幫助。

第2點：地球的環境也會因為可控核聚變這種清潔能源的大量使用而變得山清水秀，無限的能量加上人工智慧的成熟，將會讓我們的生活變得非常的富足而除掉特意抬價的奢侈品，常規商品的生產成本無非可以分成三部分：人力成本、能源成本、材料成本，因為在之後人工智慧會大量的代替人類勞作，人力成本幾乎可以省略，而能量成本也會因為可控核聚變的成熟而變得非常低，因此一個物品最終只會剩下材料成本，價格將會大幅度的降低，甚至很多國家能夠輕鬆免費提供大眾消費品。

第3點：可控核聚變將會直接改變全世界的經濟，世界上的一切生產都離不開對能源的依賴，能源是一切生產的最上遊，對社會秩序、經濟秩序起了決定性的作用，比如石油價格一發生波動，整個市場甚至整個社會都要進入高消費狀態，例如1973年中東國家將國際油價抬高了兩倍多，直接導致了嚴重的經濟危機，美國的工業生產下降了14%，日本下降20%，今年3月的油價暴跌導致美股直接熔斷了4次。

第4點：可控核聚變是星際殖民的最低標準，如果能實現可控核聚變我們就能在太陽系內來回穿梭，目前化學燃料火箭頂多也就帶我們去到火星，很難去更遠的地方了，因為想飛得更快去得更遠，就要裝下更多的燃料，為了裝下更多的燃料，火箭就會變得更加的臃腫笨重，火箭所能獲得的速度、加速度自然就越小，並且費用還直線往上漲，E=mc²能量由質量轉化而來，想獲得能量就要先損失質量，損失的質量越大獲得的能量就越多，而傳統火箭使用的化學燃料其質量損失只有0.00000005%，可見化學原料在能量轉化上是有多麼的低效，化學燃料火箭自然不能承擔大任，而可控核聚變的質量損失則高達0.7%，其能量轉化效率比化學燃料高出了7個數量級，而可控核聚變的火箭速度更是能夠達到光速的10%，是常規火箭的近萬倍，星際殖民對人類的影響將不亞於幾百年前的大航海時代。

總結

以上4點是實現可控核聚變後的情景，如果不能夠儘早讓可控核聚變走向成熟對於我們來說無疑是個噩夢，人類是死是活真的得要看可控核聚變，這個真的不是開玩笑，因為現在地球容易開發的那部分化石能源支撐不了太久，這意味著可控核聚變一旦進展不順，能源緊缺就在所難免，能源緊缺必然會導致經濟的蕭條。

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