托卡马克里的星空:核聚变离我们的插座到底有多远

去年深秋逛完南京中山陵,找了家巷子里的咖啡馆蹭暖气,邻座两个穿校服的学生聊核聚变,差点吵起来。 一个说全是圈钱的幌子,这辈子都见不到商用,另一个拍桌子说再过十年家家户户都用聚变电,以后电费直接按年交几十块钱封顶。 我捧着热可可没说话,差点笑喷。 这两年核聚变的新闻多了,舆论直接劈成两半,要么捧上天要么踩进泥,没几个中间态。

被传烂了的“永远五十年”,到底是怎么来的

说实话,这个梗最早是上世纪五十年代出来的。那时候刚搞懂氢弹原理,科学家们膨胀得很,觉得只要把可控的约束问题解决,十年就能商用发电。 结果一做起来发现全是坑。 要让两个氢原子核撞到一起,得克服正电荷之间的斥力,你猜要把等离子体加热到多少度?一亿度。 你没看错,比太阳核心温度还高五六倍。太阳是靠核心超大压力才把聚变压出来,地球做不出那么大的压力,只能靠提温度补。 很多人第一个问题就是:一亿度什么材料能扛住?这不瞎扯吗? 这就是最大的误区。核聚变的等离子体根本不碰装置壁。现在主流的托卡马克路线,靠的是强磁场约束,把滚烫的等离子体兜在装置中心的真空室里,飘着不碰墙,自然不存在熔化容器的问题。 哦,那兜住不就行了?哪有这么简单。 温度够了,密度不够也不行,密度够了,留不住,热量一下跑光了也不行。三个条件凑在一起,才满足发电的最低要求,这个就是大家常听的劳森判据,不用记,你就当它是煮火锅:火够热,肉够多,锅还不漏水,才能煮开吃到嘴。
中国EAST全超导托卡马克实验装置外观
中国EAST全超导托卡马克实验装置外观
上世纪五六十年代,科学家对难度预估不足,喊了几次十年商用都没成,这个“永远再五十年”的帽子就扣下来了,扣到现在。 不过话说回来,真不是大家原地踏步。只是技术进步本来就是螺旋式的,不是蹦一下就能上天。 我前两年翻可控核聚变的发展时间线,六十年代托卡马克路线跑通,八十年代实现氘氚聚变出中子,九十年代欧洲的JET装置第一次实现输出能量接近输入,本世纪初EAST开工,前几年ITER已经开始组装,去年我们EAST跑出了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行——这是全世界目前最长的脉冲记录,每多一秒都是在往前拱,不是零进步。

别把核聚变当神话,它也不是骗经费的幌子

网上最常见的两种歪理,一种说核聚变搞成了电费免费,另一种说全是骗经费的,一分钱产出都没有。 先说第一个吧,就算明天就商用,也不可能免费。 聚变堆的燃料确实便宜,氘从海水里提,一升海水里的氘聚变放出的能量,差不多等于300升汽油燃烧的能量,整个太平洋的氘够人类用几十亿年,这个不假。但是聚变堆本身的建设成本极高,超导磁铁、真空室、氚增殖包层,哪一样都是贵得离谱的高科技,就算技术成熟了,建站成本摊到电价里,一开始也不会比现在的核电便宜多少,只是没有燃料成本压力,也没有核废料的大麻烦而已。 说免费,太夸张了。
托卡马克磁场约束等离子体工作原理图
托卡马克磁场约束等离子体工作原理图
再说骗经费这个事儿,说这话的真的有点不负责任。 你现在去医院做的等离子体微创手术,芯片制造用的等离子体刻蚀,这些都是核聚变研究带出来的衍生技术,早就走进日常生活了。更别说可控核聚变本身的意义,哪里只是发电那么简单?它是人类第一个能摸到的,近乎无限的清洁能源选项,只要搞成了,人类就不用再为了能源抢来抢去,碳排放的压力直接少了一大半,甚至以后搞太空旅行、搞星际移民,能源问题直接解决了一大半。 这点投入,真不算多。

站在门口等开门的感觉,你懂吗

站在门口等开门的感觉,你懂吗
站在门口等开门的感觉,你懂吗
我之前看一个可控核聚变方向的博士后写的内容,他说他们组做实验,经常调参数调一整夜,有时候就涨了零点一个百分点的约束效率,全组都能开心好久,出去撸串庆祝。 不像互联网,搞个功能上线就能炸掉朋友圈,核聚变的进步就是这样,悄咪咪的,一点点拱,每一步都难。 现在ITER预计2035年第一次点火实验,我们国家自己的聚变工程实验堆预计也差不多那个阶段,商用堆怎么说也得几十年吧?说十年就能用上的,太急了,说永远用不上的,太悲观了。 我今年去南京奥体那边散步,看到有做科技展的,摆了个缩小版的托卡马克模型,蓝色的环,上面标着等离子体的运行轨迹,灯光一闪一闪的。 那一瞬间突然有点触动。那堆线圈里面装的哪里是等离子体啊,是人类攒了几十年的,想伸手够到更远未来的野心啊。 你说,万一哪天开门了呢?

作者|科技

排版|科技

审核|阿辰

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