MIT最新研究進展-可控核聚變這是真的要來了？

作者：佰思科學 ｜沈東旭 邱亞明

我們都知道可控核聚變很重要，如果能邁過這個坎就是人類文明進步的一大步。同時大家也都明白，可控核聚變實現起來很難。就好像譚詠麟永遠25歲一樣，關於可控核聚變有個永遠50年的梗--不管到了什麼時候，你都可以說，可控核聚變還有50年就能實現了。

核聚變發電原理圖

不過最近，2020年9月29日，美國麻省理工學院MIT冒出來一個消息，MIT將和一個叫做Commonwealth Fusion System的私人機構，從2021年開始建設一個核聚變反應堆，預計到2025年建成，用於驗證技術，最終在2035年左右實現商業性可控核聚變發電。

MIT校園

不是說好五十年之後嗎？怎麼突然變成15年了？幸福來得太突然，讓大家有些措手不及。興奮之餘，MIT到底靠不靠譜啊？

先講講可控核聚變的基礎知識，再看看MIT的說法是不是靠譜。

1、 可控核聚變

核聚變大家都了解是怎麼回事，比如太陽上就發生著核聚變，氫彈爆炸也屬於核聚變。核聚變簡單來說就是原子核融合的時候，比如氫原子融合成氦原子，會釋放出能量。而我們所說的可控核聚變，是希望核聚變在人類的控制下按照期望的速度發生，從而將釋放出的能量為人類所利用，比如用來發電。

人類1952年爆炸第一枚氫彈

實現核聚變從原理上來說不難，只要把原子核湊在一起，有足夠的溫度和密度，聚變就會發生。1957年，英國科學家John D. Lawson提出了著名的勞森判據，作為核聚變能否發生的條件，後來人們把勞森判據表達成三重積的形式：簡單來說，溫度、密度和約束時間三者的乘積大於一個閾值的時候，就達到了核聚變的條件。氘氚聚變是最容易實現的核聚變，因為它的閾值最低，為3x1021 keV s/m3。

氘氚聚變是最容易實現的核聚變

氘和氚都是氫的同位素，氘由一個質子和一個中子組成，原子量為2，寫成2H；氚比氘多一個中子，原子量為3，寫成3H。氘和氚融合的時候，會形成一個氦原子4He並釋放出一個中子和能量。

從工程的角度來說，需要大約1億度的溫度，和每立方米2~3x1020以上的等離子密度，再把這些等離子長時間約束在一個空間內，慢慢進行核聚變。因此可控核聚變的核心問題就是：如何把這麼高溫度的離子高密度且長時間地聚集在一起。

通常有兩個辦法，一種叫慣性約束，使用雷射轟擊微型小球，壓縮裡面的氘氚1：1混合等離子體，就是所謂的雷射點火。這種方法從發電角度來看，以當前技術水平不太實用，不細說了。對發電來說比較有希望的方法叫磁約束，就是通過磁場把帶電的離子束縛在一個空間區域內，不與外界直接接觸，這樣反應堆容器外壁的溫度也就是1000度的樣子，在人類材料所能承受的範圍內。

線圈

只要學過中學物理就知道，給線圈通上電流，線圈就會產生磁場，這樣的磁場就可以用來約束離子體。這就是磁約束的基本原理，人們把這樣的核聚變裝置叫託卡馬克。

通電線圈中的磁場

因此，託克馬克本質上來說就是一個常做成環形的大線圈，裡面約束著高溫、高密度的等離子體。

託克馬克的結構，D形的腔室就是約束等離子體的地方

由於磁約束需要的磁場很強，就需要大電流。如果線圈存在電阻的話，大電流會帶來很高的能量消耗。幸好人們在1986年發現了高溫超導現象，可以使用便宜的液氮做冷卻劑，把導體的電阻降到零，因此可以用高溫超導體來做線圈。

用高溫超導體製作的磁約束線圈

2、 ITER與EAST

當年勞森先生推出勞森判據之後就洩氣了，認為可控核聚變永遠也實現不了，因為要求太高，以當時人類社會的技術水平，實在不知道該怎樣才能達到。

1965年，一個叫戈登·摩爾的樂觀主義者提出了著名的摩爾定律，即集成電路的電晶體密度每二十個月增加一倍。雖然摩爾定律背後並沒有科學原理的支撐，但這麼多年以來，半導體行業的摩爾定律一直有效。正是因為摩爾定律的存在，我們才看到信息產業革命般地改變了人類社會的發展。現在一部普通手機裡面的CPU計算能力，強於幾十年前的超級電腦。因此一個行業要想對人類社會產生革命般的影響，必須存在類似於摩爾定律這樣的發展規律。

對比核聚變性能（藍線）與摩爾定律（紅線）

可是，摩爾定律固然厲害，畢竟屬於半導體行業，和可控核聚變又有什麼關係呢？其實，可控核聚變領域的發展也存在類似摩爾定律的規律，甚至比摩爾定律兩年翻一番還要厲害：三重積指標大約每1.8年就能翻一番。從上圖我們可以看出，到了上世紀九十年代中後期的時候，核聚變實驗裝置的性能指標已經到了1021 keV s/m3附近，這給了大家信心--可控核聚變真的有可能實現！

另外一個視角看核聚變裝置的性能指標變化過程

於是到了二十世紀初的時候，歐洲提出全球合作搞一個核聚變實驗堆，名字叫ITER（International Thermalnuclear Experimental Reactor）。項目於2007年正式籤約，參與國有歐盟、中國、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度，其中歐洲出資45%，剩下的六家平攤。

ITER模型

這種多國合作項目，扯皮是難免的，尤其是歐洲主導，拖延本來就是歐洲人的生活方式。一直拖到2020年7月28日，項目算是進入了安裝測試階段。預計到2025年安裝完成，2035年實現氘氚聚變。項目最後要花多少錢現在誰也說不清，反正現在預算已經大大超支了；美國估計可能得花600億美元。

ITER項目現場圖

ITER目標是實現Q=10的核聚變能量輸出，且放電時間達到20分鐘左右，從而為未來的商業性核聚變發電打下基礎。這裡的Q是核聚變輸出能量與輸入能量之間的比值。可控核聚變需要能量輸入來啟動及維持聚變反應，因此輸出的能量必須遠大於輸入的能量，否則沒有實際意義。Q一定要大於一才不虧本，但實際上要想實現有商用競爭力的發電，Q需要在20甚至30以上才合適。

中國的EAST

中國也有類似ITER的項目，名為EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），大小只有ITER的1/4到1/3，2006年在合肥建成，花了3億人民幣，出了很多世界上最好的核聚變成果。比如在2020年4月，實現了一億度的等離子放電，持續時間為10秒鐘。

EAST內部

3、 SPARC

MIT提出來SPARC的構想，是基於這麼個原因：ITER的設計年代比較早，那時候的高溫超導材料還不能提供很高的磁場強度；這幾年高溫超導磁場性能有了大幅提升，因此可以設計出更好的聚變反應堆。在下圖中，紅點代表現在實驗室能獲得的最強磁感應強度--45.5特斯拉（縮寫為T），最下面的藍線代表了商業上實用的磁感應強度。可見近年來20-30特斯拉的磁體產品已經商用了。

磁鐵性能的提升

ITER設計時的磁場為5.3T，而EAST僅為3.5T。下圖給出了不同Q值下磁場強度和反應爐大小的關係，越大的Q值對應的曲線就越靠上。對於同樣的Q值，T越大則尺寸越小，但T增加到15以上尺寸的減小就不明顯了。T越大，磁場越強，則給等離子體的壓力就越大，於是等離子體的密度得以提升，相應的等離子體的體積縮小，爐子就可以變小，建設成本也能降下來。

磁場與反應爐大小的關係

因此MIT的思路很簡單，就是藉助於最近幾年高溫超導磁體方面的進步，造一個儘量小的爐子，起名SPARC（Smallest Possible ARC），起到和ITER類似的驗證目的。然後就是下一步，ARC（Affordable，Robust，Compact），這將是真正的商業核聚變反應堆。

SPARC 與ARC路線圖

SPARC的磁場為12T，最高21T，Q值大於2，最高可以到10，聚變功率為100MW（ITER是500MW）。MIT已經從外界融資了大約2.5億美元，打算從2021年開工建設，2025年點火實驗。到了2030年代，開始建設ARC，實現商業化發電。

MIT的SPARC設計概念圖

4、 預測未來

MIT在核聚變方面有長時間的積累。比如前面圖中的Alcator C-Mod，就是MIT的實驗堆。不過MIT的SPARC2025年點火和ARC在2030年代商業發電的目標，仍然不啻於放了一顆高產衛星。假如MIT真的用區區幾億美金，建成接近於ITER水平的SPARC，那麼世界其他國家的科學家們，該切腹的切腹，該上吊的上吊，免得浪費地球上的資源。

MIT的Alcator C-Mod內部

當然，作為核聚變行業外的佰思科學，我們不具備判斷SPARC是否靠譜的能力和資格（行業內的人也未必判斷得了）。不過，我們手中有個利器可以利用一下，就是核聚變行業的摩爾定律。

SPARC效果圖

按照核聚變行業的發展歷史，存在一個1.8年性能翻番的核聚變摩爾定律。當然這個規律未來是否仍然有效誰也不知道，我們只能把它當成一種信仰。

EAST內部的等離子體（右上角數值為點火之後的時間）

目前等離子體H-mode（High confinement mode）下運行時間記錄是今年EAST的一億度10秒鐘。一些具體運行參數EAST沒有披露，因此這一數值或許要打一些折扣。對比ITER在2035年實現一億度運行20分鐘的目標，簡單計算可知，在15年中性能可以增長322倍，對應3220秒，大約50多分鐘，因此20分鐘的小目標感覺靠譜。

ARC和ITER的參數對比

實際上，MIT的ARC才能真正對標ITER，不過比ITER多了發電的能力，因為ITER畢竟還是實驗目的。但是MIT沒說ARC發電持續時間是多長，要也是一小時左右，那也還是靠譜的。但，這算得上商業發電嗎？

核聚變路線圖

ITER的下一步才是真正的商業驗證堆，叫做DEMO，預計投入使用的時間為2060年。按照核聚變摩爾定律，以ITER的20分鐘為基準，DEMO能連續運行的時間大約是212天，離實用還有點距離，畢竟是驗證堆。

德國預測中國到本世紀末期能源構成（最上面黃色部分是核聚變）

德國人預計，聚變發電將在2070年代投入商用。按照摩爾定律，那時候反應堆持續運行時間能達到大約30年，這樣長時間持續運行的核聚變反應堆才有實際意義。

不過，我們還是希望MIT能實現它的目標，誰不希望15年後就能看到核聚變發電呢？即便按照核聚變摩爾定律的預期，到了2070年我們也能用上聚變發電了。掐指一算，今年是2020年，那麼到2070年，咦，怎麼還有50年？