可控核聚變實驗裝置

❺ 可控核聚變新方法顛覆了預期，無招勝有招，第一盞燈即將點燃

昨天看到一則消息，顛覆了我對可控核聚變未來的預期。一個名不見經傳的小初創公司Zap Engergy，正在通過一種全新的方法，既省了錢，又取得了重大突破。一些業內專家和媒體對這個技術評價極高，認為是可控核聚變技術的一個重要里程碑。

現在，Zap Engergy正在努力將這種技術模塊化，宣稱不久的將來將推向市場。這次突破真的會大大縮短可控核聚變的商業化進程嗎？我們來了解一下。

可控核聚變就是利用太陽內部核聚變的原理，在地球上創造出長久釋放的氫核聚變能源，用於造福 社會 。其實氫彈爆炸就是核聚變的能量，但是不可控的，「轟」的一聲就沒了，除了戰爭，不能造福 社會 。

而可控核聚變就是讓這個「轟」的一聲瞬間釋放的巨大能量，變成慢慢釋放，這樣就可以發電，在相當長時期得到取之不盡用之不竭的能源。由於這種能源的產生方式類似於太陽，因此俗稱人造太陽或人造小太陽。

但太陽核心能夠源源不斷地持續發生氫核聚變，是因為太陽質量巨大，導致的向心巨大收縮壓力下形成的，這個壓力達到3000億個大氣壓。地球上無法人造出這種壓力，就需要比太陽核心1500萬度更高的溫度，這個溫度需要1億度以上。

這樣問題就來了，如何讓等離子體加熱到1億度呢？而且地球上最耐熱的金屬才幾千度就融化了，用什麼容器將核聚變幾萬個幾千度的等離子體「裝住」呢？又如何讓這高溫的等離子體發出電來呢？這就成可控核聚變需要解決的幾大難題。

科學家們弄了幾十年，如今終於有點眉目了。解決把核聚變高溫等離子體「裝住」的方法有三個，即磁約束、慣性約束、重力約束，這幾種方法都是非物質約束方法，就是不讓高溫等離子體碰到容器內壁。

重力約束就是太陽這種方法，地球上做不到，人們就只能從磁約束和慣性約束來想辦法了。前蘇聯科學家早在上世紀50年代就發明了一種叫托卡馬克的裝置，這種裝置是通過線圈在內部產生磁阱，將高溫等離子體約束在磁阱里。

採用托卡馬克裝置研發可控核聚變技術，是經典的磁約束方法，處於世界主流地位。中國自主研製出非圓截面全超導托卡馬克實驗裝置，簡稱EAST，目前處於世界領先地位。在試驗中，已經取得幾項世界領先成就，如7000萬度長脈沖高參數等離子體維持運行1056秒，等離溫度1.2億度運行時間達到101秒，實現了1兆安等離子體單溜等。

許多國家，如美、英、日等國的可控核聚變也都取得了進展，都可以產生能量了，但都維持時間太短，而且即便發了點，輸出能量還不足。下一步需要解決的主要問題就是，讓核聚變的等離子體能夠長時間穩定持續燃燒，並且輸出的能量要大大高於輸入的能量，符號表示就是達到Q=1以上。

這些問題說起來很簡單，但做起來談何容易。因此，世界各路專家大體一致認為，要真正讓可控核聚變實現商業化運用，至少還需要30年左右甚至更長時間。

中國也做出了自己的規劃，在2025年實現Q=5，並逐步達到Q=10；2030年實現示範工程發電，在Q=5條件下實現200MW發電，初步達到Q=10穩態發電1GW。

從這個計劃安排來看，如果能夠順利實現，最早也要到2030年才能在試運行中點亮第一盞燈，真正形成商業發電還要到2050年。

所謂慣性約束，就 是利用 粒子 的慣性作用來約束粒子本身，從而實現 核聚變反應 的一種方法。比較經典的方法是採用高能激光或帶電粒子束照射極小的靶丸，導致靶面物質迅速消融並向外猛烈噴射，而噴射的反作用力形成向內傳播的沖擊波，形成極大的壓力將靶丸內的氫同位素氘和氚發生聚變。

這種技術也是早在上世紀六十年代就提出了，前蘇聯和美國都進行了大量試驗，我國自2000年以來，也開始了這項試驗，但至今這項技術還沒有取得重大突破，都還處於實驗室試驗階段。

今年五月，有報道稱英國一家叫 First Light Fusion的 公司另闢蹊徑，通過高速彈射技術來引發核聚變。具體是通過兩支大型超級空氣加速槍，將燃料加速到10~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小塊，形成崩潰沖擊波，瞬間壓力達到10億個大氣壓，導致燃料快以足夠高的速度自爆，從而實現核融合反應。

核聚變的高溫會將水加熱產生蒸氣，通過驅動渦輪機帶動發電機轉為電能，這樣就實現了可控核聚變發電。

研發出這種裝置是受到海洋槍蝦的啟發。槍蝦又叫鼓蝦，身長約5厘米，生活在熱帶海洋的淺水區。這種蝦有一種「黑 科技 」武器，攻擊獵物時會瞬間噴射出一股時速高達100公里的水流，形成一個極小的低壓氣泡，這個氣泡從產生到破裂只需10億分之一秒，爆破時瞬間溫度達到4700度，被這氣泡沖擊波擊中的獵物很難逃過一劫。

由此， First Light Fusio公司開發的高速「氣槍」就以「槍蝦」命名。據稱這種「槍蝦」核聚變方式，距離發電理想大大前進了一步，且相比採用昂貴的高能激光發射器，成本低多了。目前該公司計劃採用這種技術，在2030年開辦一個實驗工廠來生產電力。

這完全稱得上是一匹黑馬，是慣性約束可控核聚變開發方面的一支奇葩，是真正的創新和彎道超車，目前很被看好。

根據報道，這家位於西雅圖的初創公司 開發了一套叫 Z-pinch的系統，這套裝置採用的是一條與托卡馬克裝置完全不同的路線，摒棄了托馬斯克裝置中大量昂貴的磁鐵、磁線圈、屏蔽材料，以及為了保護它們需要的復雜網路，只是利用等離子體本身的磁場，將自己約束在一個相對較短的柱子里。

報道採用了一個形象的比喻：將等離子體「釘在」柱子里，並「夾住」它。等離子體本身就是帶電的，理論上當然也可以形成磁場和磁阱。報道里只說這種技術叫「 剪切軸流技術 」，沒有更多地披露技術細節。我們也沒有必要去深究它，這些是專業人員的事情。

我們現在知道的是，這項技術已經成功了，並且在500千安培電流下進行了演示。Zap Engergy的首席技術官表示，這套裝置叫 FuZE-Q，是第四代Z-pinch設備，下一代將設計為可容納650千安培的電流，實現收支平衡點，即Q=1。

目前Zap Energy團隊拿到了1.6億美元的C輪融資，雄心勃勃的宣稱，下一步將盡快將這項核聚變技術推向市場。 他們設想通過大規模製造反應堆來實現這一目標，這些反應堆將實現模塊化，小到可以放在車庫里。

這樣，這些模塊就既可以部署在偏遠社區提供電力，也可以組合起來形成大規模集合體，提供整個城市電力。這種裝置不像經典的托卡馬克裝置和慣性約束那樣，需要昂貴的材料，成本大大下降，更容易被 社會 接受和普及。

那麼，這幾種從經典可控核聚變技術中脫穎而出的新技術，會不會對各國的經典常規技術造成打擊和沖擊呢？目前很難判斷。但我覺得， First Light Fusio和 Zap Engergy這兩家初創公司的技術的確很令人震撼和大開眼界。

當實力雄厚的世界級大公司和國家扶持的頂級研究機構，幾十年如一日孜孜不倦地沉浸於經典技術中，一點一點往前挪動時，這幾個小公司卻獨辟蹊徑原創性地開辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又縮短了預期，這似乎才是真正地彎道超車，無招勝有招啊。

當然，華山論劍，誰主沉浮，還未有定數；是騾子是馬，還得拉出來溜溜；誰能點亮世界上可控核聚變商業運用的第一盞燈，才是王者。會是我們嗎？希望是，但還須拭目以待。

今天就說這些，歡迎討論，感謝閱讀。

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❻ 可控核聚變的輸出能量已經大於輸入，那麼現在可以商業化了嗎

我們所熟悉的可控核聚變實現方式有兩種，一種是國際熱核聚變裝置ITER支持的磁約束核聚變，另一種是各國自行研究方向的慣性約束核聚變！兩種從原理上來看有很大的區別，但都需要輸入大量的能量作為可控核聚變的基礎都是完全一致的！

上圖是磁約束核聚變裝置的動態示意圖，當然事實上的核聚變堆也許並不是這種方式運行的，但表現原理並無問題，它存在幾個非常關鍵的結構：

1.約束控制與加熱超高溫等離子體的磁場，即D行空腔的第二層內壁！

2.燃料的等離子體的注入，動圖中在內壁側面注入！

3.內壁兼熱交換結構，將核聚變產生的超高溫從聚變堆內部帶走轉換發電並保持內壁適合溫度

4.核聚變堆灰燼排出結構！

磁約束可控核聚變裝置實現有兩種， 一種是托卡馬克結構，另一種是仿星器結構 ，兩種都是現代可控核聚變的重要研究方向！

托卡馬克可控核聚變裝置內部，這種結構最早是前蘇聯庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等在上世紀50年代發明的，托卡馬克的核心裝置是環形真空室，外壁纏繞超導線圈，通電後會產生螺旋形磁場，完成等離子的加熱以及控制約束的目的！

另一種則是仿星器，仿星器最早是由美國理論物理學家、天文學家李曼斯·皮策(Lyman Spitzer)在上世界50年代發明並建成，其實兩種磁約束的經典結構最早時間都差不多！但兩者真空室結構不一樣，它的規模要比托卡馬克要小一些！但托卡馬克在等離子體磁場建立過程中可以調整磁場以約束磁場而仿星器則完全依靠安裝精度！而且仿星器的磁場扭曲結構並非軸對稱，因此仿星器的等離子體約束難度要比托卡馬克難得多！

盡管仿星器與托卡馬克都有一大票支持者，當然托卡馬克裝置更是有ITER的支持！不過無論哪家都沒有一家在這個可控核聚變的道路走到商業化的程度，其原因不外乎等離子體的溫度不夠高，約束的時間不夠久，商業化的門檻大約是一億度，1000S，我們現在走得最遠的大概溫度實現了一半，時間則在1/10-1/5左右，盡管最近以來的進展比較快，但仍然有很遠的路要走！

還有一種與磁約束完全不同的結構則是 慣性約束核聚變裝置 ，這種理解起來比較簡單，用幾十到束激光轟擊中央的燃料靶，高溫高壓以達到核聚變的目的！

與各位理解的不一樣激光束並不是直接加熱燃料的，而是採用一種山圖的間接的方式，不過到現在為止慣性約束遇到的難題並不比磁約束小，一是數十束超高能激光束的激光裝置，另一個燃料加熱後的外層等離子體影響進一步加熱，似乎有一種走入死胡同的感覺！

在合肥的中國托卡馬克可控核聚變實驗裝置東方超環，當然也有執行中國慣性約束研究神光一號二號，我們的進度在磁約束方面甚至還部分領先全球，不過在慣性約束上並無更多的資料披露，我們難以了解進度如何！

當前在可控核聚變領域做到輸出大於輸入並沒有多大的問題，但並不是說輸出大於輸入即可商業化，因為巨大的建設與運行成本並不是那麼一點點盈餘即可應付的，而且不穩定的運行成本則更高，我們要求的穩態的長時間高回報的能量輸出！但似乎看起來永遠都差那麼五十年，不過根據最近的進展來看，還真有可能在最後這個五十年內實現，各位少安毋躁！

❼ 我國新一代人造太陽等電流突破1兆安培，我國的可控核聚變實力有多厲害

近年來，中國突破了核聚變技術，更早地彌合了這一差距，並給予我們越來越多的控制權。

我國花費了大量時間和精力研究核聚變，因此我們在這方面取得了重大突破。這種技術和裝置是受控核聚變。可控核聚變具有主要優點：一方面不污染環境，另一方面很容易獲得數百種原材料。今天，中國新的人造太陽已經達到了兩億度的極端高溫。中國人造太生陽可以成為第一個解決人類能源問題的裝置，這將是對人類歷史的重要貢獻。參與國際熱核聚變反應堆和聚變反應堆的獨立設計和運行非常重要。

隨著科學技術的發展，中國在科學研究領域進行了研究。畢竟，世界仍在變化，我們需要加強自身的科技含量，以增強國家實力。由於人造太陽可以突破一些技術難題，科研人員已經觀察並開發了人造太陽。它還能給大家的生產帶來極大的便利，這也是科技研究的原始精髓。

❽ 為什麼要研究可控核聚變因為它可以使人類文明前進很大的一步！

不管我們要做什麼事，首先要有一個原因，我們人類為什麼要發展可控核聚變呢？這要從能量的角度談起，到目前為止，我們的所需要能量絕大多數來自太陽，比如說石油、天然氣、煤以及水力、風力發電等等，甚至我們生命的根本-食物，它們所蘊含的能量都是太陽賦予的。而太陽的能量來自於哪裡呢？這一點大家都知道，它源自太陽內部的氫-氦核聚變反應。

人類現在已經可以利用核裂變來發電了，但地球上核裂變的資源是非常有限的，根據相關數據，目前地球上已探明的可以用作核裂變的原料僅僅夠人類使用幾十年的時間。相比之下，地球上核聚變的資源就要多出很多了，地球上的海水中擁有40萬億噸氘（氫的同位素），而如果完全利用的話，一公斤氘的核聚變反應就可以產生差不多1億度的電能。這還沒有算上宇宙中其他的廣泛存在的核聚變資源，例如月球上儲量驚人的氦-3。

如果人類能夠隨意控制核聚變的能量，我們就可以實現完全的自給自足，甚至可以不再依靠太陽！這也就意味著人類文明將會前進很大的一步，有了可控核聚變，人類走出太陽系將指日可待。換一個角度來看，核聚變是具有高效率、低成本的清潔能源，這也非常符合人類發展的方向。

核聚變的原理就是通過技術手段將氫原子「捏」在一起，使其聚變為氦，在這個過程中會釋放大量的能量。以目前的 科技 ，要使氫原子發生核聚變，就必須用高溫高壓的方式，這個原理很簡單，原子核之間有著巨大的排斥力，我們又不可能真的能將原子核「捏」在一起，所以就只有將原子核加速，只要原子核具有足夠的速度，它們就可以克服排斥力撞在一起，而高壓環境下的原子核會更集中，這將大大增加原子核碰撞的概率。要將原子核加速，科學家們可以簡單的用升高溫度的方法來實現，由此可見，核聚變最關鍵的就是高溫環境。

人類的末日武器-氫彈就是核聚變反應，它的原理就是利用引爆小型原子彈（核裂變）來達到高溫高壓的環境，進而引發氫彈的核聚變反應，並在一瞬間釋放出強大的能量。

但這種反應是破壞性的，不可控制的，如果人類要利用它的能量，這種方式明顯是不可行的。人類需要用一種持續的、平穩的方式來獲得核聚變的能量。從理論上來講，可控核聚變實現起來似乎並不難，只需要三步就可以，第一步、將核聚變原料放入一個容器中；第二步、對核聚變原料加溫加壓使其產生聚變反應；第三步、通過某種方式將容器里的能量平穩的導出來。

事實上，要點燃核聚變對於人類來說並不困難，科學家們可以用多束高能激光，從各個方位對核聚變原料進行加熱，從而實現「點火」的目的。但難點就在於這個「容器」上，要知道核聚變會產生至少5000萬攝氏度的高溫，與此同時還會產生強大的輻射能，以現在的 科技 ，人類根本製造不出能夠扛得住這種極端「折磨」的材料。

但是聰明的科學家想出了另外的辦法，在高溫環境下，原子中的電子與原子核之間的連接會被打破，在這種情況下電子會掙脫原子核的束縛，這種現象被稱之為「電離」。失去電子之後，剩下那些原子核就變成了「等離子體」，由於等離子體是帶正電的，所以它們可以被磁場約束。基於這種理論，上世紀50年代，前蘇聯的庫爾恰托夫研究所發明了「托卡馬克」裝置，使人類在可控核聚變的領域邁出了從無到有的第一步。

然而用磁場來約束等離子體，在實際操作上難度是極大的。要讓核聚變持續、穩定的進行，就必須要保證磁場要長時間的、非常均勻的分布，而事實上這是目前 科技 水平不能做到的。任何不均勻的磁場都會對等離子體造成擾動，這些擾動會在電磁作用下瞬間放大，從而使整個核聚變反應變得不受控制，要麼反應太激烈，要麼停止反應。

可控核聚變的難度遠不止於如何約束等離子體，在很多細節上都有難以突破的瓶頸，比如說要用約束等離子體，就必須要有很強的磁場，而要製造很強的磁場就需要有強大的電流，因此只能用超導體來完成這個磁場的建設。要知道超導體必須在超低溫下工作，一般的溫度都需要零下200攝氏度，但它們要約束的又是溫度至少是5000萬攝氏度的高溫物質……其中的難度可想而知。

在可控核聚變中有一個專業術語叫「第一壁」，它指的是在核聚變中面對等離子體的第一層固體隔離結構，「第一壁」起的是封閉能量的作用，如果沒有了它，收集核聚變產生的能量也就無從談起。「第一壁」也是技術上的一大難題，在幾千萬甚至上億攝氏度的高溫以及巨大的輻射能面前，目前人類所能製造的任何材料挺不了多長時間。

值得一提的是，在可控核聚變的研究領域，我國在全世界上是處於領先的水平， 2018年11月12日，中科院合肥物質科學研究院宣布，我國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置EAST實現了「1億攝氏度等離子體運行」等多項重大成就。

雖然可控核聚變之路困難重重，但是全世界的科學家對此熱情不減，2006年，中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度啟動了「國際熱核聚變反應堆計劃」（簡稱ITER），該計劃參與各方投入了大量的人力物力，致力於攀登這座「人類 科技 的巔峰」。相信隨著 科技 的進步，「50年之後，可控核聚變可以得到實現」。

❾ 我國新一代人造太陽等電流突破了1兆安培，我國的可控核聚變實力有多強呢

中國新一代“人工太陽”HL-2M“托卡馬克”裝置最近取得突破，等離子體電流超過1兆安培，新一代“人工太陽”HL-2M是中國自行研製的磁約束控制核聚變實驗研究裝置，它採用了先進的“托卡馬克”結構和控制方式，設計容量的等離子體電流強度可提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達1.5億攝氏度，規模和參數容量均比以前大，可實現高密度、高比壓、高自舉電流操作。等離子體電流的強度是托卡馬克核聚變裝置的核心參數，這種類型的核聚變反應堆必須在1兆安培的電流下穩定運行。

❿ 中科院「立大功」，國產人造太陽迎來突圍，再次刷新世界紀錄

2021年的最後一天，中國科學院合肥物質科學研究所傳來了一則振奮人心的消息：中國「人造將艾洋」再次創下世界紀錄。

在2021年5月份，中國「人造太陽」——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）便實現了一次刷新世界紀錄的突破。彼時，我國做到了可重復的1.2億攝氏度101秒與1.6億攝氏度20秒等離子體運行。

而在短短幾個月後，我國便傳出了新的進展，這無疑令人矚目。 據悉，12月30日晚間，中科院實現了電子溫度近7000攝氏度的1056秒的長脈沖高參數等離子體運行，這是如今全球托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。

這一成果無疑具有十分關鍵的意義，對我國此後穩態聚變工廠堆的建設打下了科學與實驗的基礎。

這無疑讓我國離實現真正可利用的「可控核聚變」更近了一步。如今，我國在這一領域的研究已經走到了世界的前列，美韓等都是我國的對手。

就在不久前，韓國「人造太陽」做到了在超1億攝氏度的情況下，等離子體超30秒的最新成績。但顯而易見，韓國同中國相比還有著不小的差距。

那麼，「人造太陽」究竟是什麼，為何全球這么多國家在搶著發展？

「人造太陽」為國際熱核聚變試驗堆，它的靈感來源於太陽，因此被稱之為「人造太陽」。

在太陽的內部無時無刻不在進行著核聚變，這使得太陽能夠迸發出巨大的能量。科學家希望能夠模仿太陽產生能量的原理，掌握這樣的可控核聚變技術，以此來解決人們的能源枯竭問題。

可控核聚變所需的氘和氚這兩種主要燃料，大量的存在於海水之中，儲量十分豐厚。這些燃料不說取之不盡用之不竭，但也足夠人類用百億年。而且，反應的過程不會產生有害物質，對人類環保事業也有著重要意義。

所以在人類化石能源愈發緊張的今日，越來越多的國家希望能夠通過可控核聚變技術，來徹底解決這場能源危機。

不過，掌握可控核聚變技術哪裡那麼容易，實現上億攝氏度點火和穩定長時間約束控制便是核聚變發電最難攻克的兩大難題。

為此，無數科學家揮灑汗水、揮灑自己的熱血與青春，在這些人的努力之下全球「人造太陽」才有了如今的成績。

從上世紀50年代，我國便開始了在可控核聚變領域的研究，並在2006年建成了EAST裝置。至今已經在這一領域積累下豐厚的經驗，因此我國才能實現一連串的技術突破。

如今，EAST首次突破千秒大關便是在中國科學家的手中實現，更是令人激動。雖然我們如今看來，中國的這次突破用短短幾句話便能夠描述，但中國科學家在背後的付出、需要面對的挑戰之多，卻是難以想像的。

中國這一突破的背後，只要需要攻克完全非感應電流驅動、再循環與雜質控制、熱與粒子排出這三大難題，十分不容易。在中國多方力量的共同努力之下，我國才有了如今的成績。

目前，我國「人造太陽」已經分別實現了1兆安的等離子體電流、電子溫度1億攝氏度的等離子體、1000秒的連續運行時間這三大條件。

這表示，中國可控核聚變研究即將開啟一個新的篇章，上到一個新的高度。在新的起點上，中國「人造太陽」還將創造怎麼樣的成績，就讓我們拭目以待。