可控核聚变实验装置

❺ 可控核聚变新方法颠覆了预期，无招胜有招，第一盏灯即将点燃

昨天看到一则消息，颠覆了我对可控核聚变未来的预期。一个名不见经传的小初创公司Zap Engergy，正在通过一种全新的方法，既省了钱，又取得了重大突破。一些业内专家和媒体对这个技术评价极高，认为是可控核聚变技术的一个重要里程碑。

现在，Zap Engergy正在努力将这种技术模块化，宣称不久的将来将推向市场。这次突破真的会大大缩短可控核聚变的商业化进程吗？我们来了解一下。

可控核聚变就是利用太阳内部核聚变的原理，在地球上创造出长久释放的氢核聚变能源，用于造福 社会 。其实氢弹爆炸就是核聚变的能量，但是不可控的，“轰”的一声就没了，除了战争，不能造福 社会 。

而可控核聚变就是让这个“轰”的一声瞬间释放的巨大能量，变成慢慢释放，这样就可以发电，在相当长时期得到取之不尽用之不竭的能源。由于这种能源的产生方式类似于太阳，因此俗称人造太阳或人造小太阳。

但太阳核心能够源源不断地持续发生氢核聚变，是因为太阳质量巨大，导致的向心巨大收缩压力下形成的，这个压力达到3000亿个大气压。地球上无法人造出这种压力，就需要比太阳核心1500万度更高的温度，这个温度需要1亿度以上。

这样问题就来了，如何让等离子体加热到1亿度呢？而且地球上最耐热的金属才几千度就融化了，用什么容器将核聚变几万个几千度的等离子体“装住”呢？又如何让这高温的等离子体发出电来呢？这就成可控核聚变需要解决的几大难题。

科学家们弄了几十年，如今终于有点眉目了。解决把核聚变高温等离子体“装住”的方法有三个，即磁约束、惯性约束、重力约束，这几种方法都是非物质约束方法，就是不让高温等离子体碰到容器内壁。

重力约束就是太阳这种方法，地球上做不到，人们就只能从磁约束和惯性约束来想办法了。前苏联科学家早在上世纪50年代就发明了一种叫托卡马克的装置，这种装置是通过线圈在内部产生磁阱，将高温等离子体约束在磁阱里。

采用托卡马克装置研发可控核聚变技术，是经典的磁约束方法，处于世界主流地位。中国自主研制出非圆截面全超导托卡马克实验装置，简称EAST，目前处于世界领先地位。在试验中，已经取得几项世界领先成就，如7000万度长脉冲高参数等离子体维持运行1056秒，等离温度1.2亿度运行时间达到101秒，实现了1兆安等离子体单溜等。

许多国家，如美、英、日等国的可控核聚变也都取得了进展，都可以产生能量了，但都维持时间太短，而且即便发了点，输出能量还不足。下一步需要解决的主要问题就是，让核聚变的等离子体能够长时间稳定持续燃烧，并且输出的能量要大大高于输入的能量，符号表示就是达到Q=1以上。

这些问题说起来很简单，但做起来谈何容易。因此，世界各路专家大体一致认为，要真正让可控核聚变实现商业化运用，至少还需要30年左右甚至更长时间。

中国也做出了自己的规划，在2025年实现Q=5，并逐步达到Q=10；2030年实现示范工程发电，在Q=5条件下实现200MW发电，初步达到Q=10稳态发电1GW。

从这个计划安排来看，如果能够顺利实现，最早也要到2030年才能在试运行中点亮第一盏灯，真正形成商业发电还要到2050年。

所谓惯性约束，就 是利用 粒子 的惯性作用来约束粒子本身，从而实现 核聚变反应 的一种方法。比较经典的方法是采用高能激光或带电粒子束照射极小的靶丸，导致靶面物质迅速消融并向外猛烈喷射，而喷射的反作用力形成向内传播的冲击波，形成极大的压力将靶丸内的氢同位素氘和氚发生聚变。

这种技术也是早在上世纪六十年代就提出了，前苏联和美国都进行了大量试验，我国自2000年以来，也开始了这项试验，但至今这项技术还没有取得重大突破，都还处于实验室试验阶段。

今年五月，有报道称英国一家叫 First Light Fusion的 公司另辟蹊径，通过高速弹射技术来引发核聚变。具体是通过两支大型超级空气加速枪，将燃料加速到10~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小块，形成崩溃冲击波，瞬间压力达到10亿个大气压，导致燃料快以足够高的速度自爆，从而实现核融合反应。

核聚变的高温会将水加热产生蒸气，通过驱动涡轮机带动发电机转为电能，这样就实现了可控核聚变发电。

研发出这种装置是受到海洋枪虾的启发。枪虾又叫鼓虾，身长约5厘米，生活在热带海洋的浅水区。这种虾有一种“黑 科技 ”武器，攻击猎物时会瞬间喷射出一股时速高达100公里的水流，形成一个极小的低压气泡，这个气泡从产生到破裂只需10亿分之一秒，爆破时瞬间温度达到4700度，被这气泡冲击波击中的猎物很难逃过一劫。

由此， First Light Fusio公司开发的高速“气枪”就以“枪虾”命名。据称这种“枪虾”核聚变方式，距离发电理想大大前进了一步，且相比采用昂贵的高能激光发射器，成本低多了。目前该公司计划采用这种技术，在2030年开办一个实验工厂来生产电力。

这完全称得上是一匹黑马，是惯性约束可控核聚变开发方面的一支奇葩，是真正的创新和弯道超车，目前很被看好。

根据报道，这家位于西雅图的初创公司 开发了一套叫 Z-pinch的系统，这套装置采用的是一条与托卡马克装置完全不同的路线，摒弃了托马斯克装置中大量昂贵的磁铁、磁线圈、屏蔽材料，以及为了保护它们需要的复杂网络，只是利用等离子体本身的磁场，将自己约束在一个相对较短的柱子里。

报道采用了一个形象的比喻：将等离子体“钉在”柱子里，并“夹住”它。等离子体本身就是带电的，理论上当然也可以形成磁场和磁阱。报道里只说这种技术叫“ 剪切轴流技术 ”，没有更多地披露技术细节。我们也没有必要去深究它，这些是专业人员的事情。

我们现在知道的是，这项技术已经成功了，并且在500千安培电流下进行了演示。Zap Engergy的首席技术官表示，这套装置叫 FuZE-Q，是第四代Z-pinch设备，下一代将设计为可容纳650千安培的电流，实现收支平衡点，即Q=1。

目前Zap Energy团队拿到了1.6亿美元的C轮融资，雄心勃勃的宣称，下一步将尽快将这项核聚变技术推向市场。 他们设想通过大规模制造反应堆来实现这一目标，这些反应堆将实现模块化，小到可以放在车库里。

这样，这些模块就既可以部署在偏远社区提供电力，也可以组合起来形成大规模集合体，提供整个城市电力。这种装置不像经典的托卡马克装置和惯性约束那样，需要昂贵的材料，成本大大下降，更容易被 社会 接受和普及。

那么，这几种从经典可控核聚变技术中脱颖而出的新技术，会不会对各国的经典常规技术造成打击和冲击呢？目前很难判断。但我觉得， First Light Fusio和 Zap Engergy这两家初创公司的技术的确很令人震撼和大开眼界。

当实力雄厚的世界级大公司和国家扶持的顶级研究机构，几十年如一日孜孜不倦地沉浸于经典技术中，一点一点往前挪动时，这几个小公司却独辟蹊径原创性地开辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又缩短了预期，这似乎才是真正地弯道超车，无招胜有招啊。

当然，华山论剑，谁主沉浮，还未有定数；是骡子是马，还得拉出来溜溜；谁能点亮世界上可控核聚变商业运用的第一盏灯，才是王者。会是我们吗？希望是，但还须拭目以待。

今天就说这些，欢迎讨论，感谢阅读。

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❻ 可控核聚变的输出能量已经大于输入，那么现在可以商业化了吗

我们所熟悉的可控核聚变实现方式有两种，一种是国际热核聚变装置ITER支持的磁约束核聚变，另一种是各国自行研究方向的惯性约束核聚变！两种从原理上来看有很大的区别，但都需要输入大量的能量作为可控核聚变的基础都是完全一致的！

上图是磁约束核聚变装置的动态示意图，当然事实上的核聚变堆也许并不是这种方式运行的，但表现原理并无问题，它存在几个非常关键的结构：

1.约束控制与加热超高温等离子体的磁场，即D行空腔的第二层内壁！

2.燃料的等离子体的注入，动图中在内壁侧面注入！

3.内壁兼热交换结构，将核聚变产生的超高温从聚变堆内部带走转换发电并保持内壁适合温度

4.核聚变堆灰烬排出结构！

磁约束可控核聚变装置实现有两种， 一种是托卡马克结构，另一种是仿星器结构 ，两种都是现代可控核聚变的重要研究方向！

托卡马克可控核聚变装置内部，这种结构最早是前苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等在上世纪50年代发明的，托卡马克的核心装置是环形真空室，外壁缠绕超导线圈，通电后会产生螺旋形磁场，完成等离子的加热以及控制约束的目的！

另一种则是仿星器，仿星器最早是由美国理论物理学家、天文学家李曼斯·皮策(Lyman Spitzer)在上世界50年代发明并建成，其实两种磁约束的经典结构最早时间都差不多！但两者真空室结构不一样，它的规模要比托卡马克要小一些！但托卡马克在等离子体磁场建立过程中可以调整磁场以约束磁场而仿星器则完全依靠安装精度！而且仿星器的磁场扭曲结构并非轴对称，因此仿星器的等离子体约束难度要比托卡马克难得多！

尽管仿星器与托卡马克都有一大票支持者，当然托卡马克装置更是有ITER的支持！不过无论哪家都没有一家在这个可控核聚变的道路走到商业化的程度，其原因不外乎等离子体的温度不够高，约束的时间不够久，商业化的门槛大约是一亿度，1000S，我们现在走得最远的大概温度实现了一半，时间则在1/10-1/5左右，尽管最近以来的进展比较快，但仍然有很远的路要走！

还有一种与磁约束完全不同的结构则是 惯性约束核聚变装置 ，这种理解起来比较简单，用几十到束激光轰击中央的燃料靶，高温高压以达到核聚变的目的！

与各位理解的不一样激光束并不是直接加热燃料的，而是采用一种山图的间接的方式，不过到现在为止惯性约束遇到的难题并不比磁约束小，一是数十束超高能激光束的激光装置，另一个燃料加热后的外层等离子体影响进一步加热，似乎有一种走入死胡同的感觉！

在合肥的中国托卡马克可控核聚变实验装置东方超环，当然也有执行中国惯性约束研究神光一号二号，我们的进度在磁约束方面甚至还部分领先全球，不过在惯性约束上并无更多的资料披露，我们难以了解进度如何！

当前在可控核聚变领域做到输出大于输入并没有多大的问题，但并不是说输出大于输入即可商业化，因为巨大的建设与运行成本并不是那么一点点盈余即可应付的，而且不稳定的运行成本则更高，我们要求的稳态的长时间高回报的能量输出！但似乎看起来永远都差那么五十年，不过根据最近的进展来看，还真有可能在最后这个五十年内实现，各位少安毋躁！

❼ 我国新一代人造太阳等电流突破1兆安培，我国的可控核聚变实力有多厉害

近年来，中国突破了核聚变技术，更早地弥合了这一差距，并给予我们越来越多的控制权。

我国花费了大量时间和精力研究核聚变，因此我们在这方面取得了重大突破。这种技术和装置是受控核聚变。可控核聚变具有主要优点：一方面不污染环境，另一方面很容易获得数百种原材料。今天，中国新的人造太阳已经达到了两亿度的极端高温。中国人造太生阳可以成为第一个解决人类能源问题的装置，这将是对人类历史的重要贡献。参与国际热核聚变反应堆和聚变反应堆的独立设计和运行非常重要。

随着科学技术的发展，中国在科学研究领域进行了研究。毕竟，世界仍在变化，我们需要加强自身的科技含量，以增强国家实力。由于人造太阳可以突破一些技术难题，科研人员已经观察并开发了人造太阳。它还能给大家的生产带来极大的便利，这也是科技研究的原始精髓。

❽ 为什么要研究可控核聚变因为它可以使人类文明前进很大的一步！

不管我们要做什么事，首先要有一个原因，我们人类为什么要发展可控核聚变呢？这要从能量的角度谈起，到目前为止，我们的所需要能量绝大多数来自太阳，比如说石油、天然气、煤以及水力、风力发电等等，甚至我们生命的根本-食物，它们所蕴含的能量都是太阳赋予的。而太阳的能量来自于哪里呢？这一点大家都知道，它源自太阳内部的氢-氦核聚变反应。

人类现在已经可以利用核裂变来发电了，但地球上核裂变的资源是非常有限的，根据相关数据，目前地球上已探明的可以用作核裂变的原料仅仅够人类使用几十年的时间。相比之下，地球上核聚变的资源就要多出很多了，地球上的海水中拥有40万亿吨氘（氢的同位素），而如果完全利用的话，一公斤氘的核聚变反应就可以产生差不多1亿度的电能。这还没有算上宇宙中其他的广泛存在的核聚变资源，例如月球上储量惊人的氦-3。

如果人类能够随意控制核聚变的能量，我们就可以实现完全的自给自足，甚至可以不再依靠太阳！这也就意味着人类文明将会前进很大的一步，有了可控核聚变，人类走出太阳系将指日可待。换一个角度来看，核聚变是具有高效率、低成本的清洁能源，这也非常符合人类发展的方向。

核聚变的原理就是通过技术手段将氢原子“捏”在一起，使其聚变为氦，在这个过程中会释放大量的能量。以目前的 科技 ，要使氢原子发生核聚变，就必须用高温高压的方式，这个原理很简单，原子核之间有着巨大的排斥力，我们又不可能真的能将原子核“捏”在一起，所以就只有将原子核加速，只要原子核具有足够的速度，它们就可以克服排斥力撞在一起，而高压环境下的原子核会更集中，这将大大增加原子核碰撞的概率。要将原子核加速，科学家们可以简单的用升高温度的方法来实现，由此可见，核聚变最关键的就是高温环境。

人类的末日武器-氢弹就是核聚变反应，它的原理就是利用引爆小型原子弹（核裂变）来达到高温高压的环境，进而引发氢弹的核聚变反应，并在一瞬间释放出强大的能量。

但这种反应是破坏性的，不可控制的，如果人类要利用它的能量，这种方式明显是不可行的。人类需要用一种持续的、平稳的方式来获得核聚变的能量。从理论上来讲，可控核聚变实现起来似乎并不难，只需要三步就可以，第一步、将核聚变原料放入一个容器中；第二步、对核聚变原料加温加压使其产生聚变反应；第三步、通过某种方式将容器里的能量平稳的导出来。

事实上，要点燃核聚变对于人类来说并不困难，科学家们可以用多束高能激光，从各个方位对核聚变原料进行加热，从而实现“点火”的目的。但难点就在于这个“容器”上，要知道核聚变会产生至少5000万摄氏度的高温，与此同时还会产生强大的辐射能，以现在的 科技 ，人类根本制造不出能够扛得住这种极端“折磨”的材料。

但是聪明的科学家想出了另外的办法，在高温环境下，原子中的电子与原子核之间的连接会被打破，在这种情况下电子会挣脱原子核的束缚，这种现象被称之为“电离”。失去电子之后，剩下那些原子核就变成了“等离子体”，由于等离子体是带正电的，所以它们可以被磁场约束。基于这种理论，上世纪50年代，前苏联的库尔恰托夫研究所发明了“托卡马克”装置，使人类在可控核聚变的领域迈出了从无到有的第一步。

然而用磁场来约束等离子体，在实际操作上难度是极大的。要让核聚变持续、稳定的进行，就必须要保证磁场要长时间的、非常均匀的分布，而事实上这是目前 科技 水平不能做到的。任何不均匀的磁场都会对等离子体造成扰动，这些扰动会在电磁作用下瞬间放大，从而使整个核聚变反应变得不受控制，要么反应太激烈，要么停止反应。

可控核聚变的难度远不止于如何约束等离子体，在很多细节上都有难以突破的瓶颈，比如说要用约束等离子体，就必须要有很强的磁场，而要制造很强的磁场就需要有强大的电流，因此只能用超导体来完成这个磁场的建设。要知道超导体必须在超低温下工作，一般的温度都需要零下200摄氏度，但它们要约束的又是温度至少是5000万摄氏度的高温物质……其中的难度可想而知。

在可控核聚变中有一个专业术语叫“第一壁”，它指的是在核聚变中面对等离子体的第一层固体隔离结构，“第一壁”起的是封闭能量的作用，如果没有了它，收集核聚变产生的能量也就无从谈起。“第一壁”也是技术上的一大难题，在几千万甚至上亿摄氏度的高温以及巨大的辐射能面前，目前人类所能制造的任何材料挺不了多长时间。

值得一提的是，在可控核聚变的研究领域，我国在全世界上是处于领先的水平， 2018年11月12日，中科院合肥物质科学研究院宣布，我国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST实现了“1亿摄氏度等离子体运行”等多项重大成就。

虽然可控核聚变之路困难重重，但是全世界的科学家对此热情不减，2006年，中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国和印度启动了“国际热核聚变反应堆计划”（简称ITER），该计划参与各方投入了大量的人力物力，致力于攀登这座“人类 科技 的巅峰”。相信随着 科技 的进步，“50年之后，可控核聚变可以得到实现”。

❾ 我国新一代人造太阳等电流突破了1兆安培，我国的可控核聚变实力有多强呢

中国新一代“人工太阳”HL-2M“托卡马克”装置最近取得突破，等离子体电流超过1兆安培，新一代“人工太阳”HL-2M是中国自行研制的磁约束控制核聚变实验研究装置，它采用了先进的“托卡马克”结构和控制方式，设计容量的等离子体电流强度可提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达1.5亿摄氏度，规模和参数容量均比以前大，可实现高密度、高比压、高自举电流操作。等离子体电流的强度是托卡马克核聚变装置的核心参数，这种类型的核聚变反应堆必须在1兆安培的电流下稳定运行。

❿ 中科院“立大功”，国产人造太阳迎来突围，再次刷新世界纪录

2021年的最后一天，中国科学院合肥物质科学研究所传来了一则振奋人心的消息：中国“人造将艾洋”再次创下世界纪录。

在2021年5月份，中国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）便实现了一次刷新世界纪录的突破。彼时，我国做到了可重复的1.2亿摄氏度101秒与1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。

而在短短几个月后，我国便传出了新的进展，这无疑令人瞩目。 据悉，12月30日晚间，中科院实现了电子温度近7000摄氏度的1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是如今全球托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

这一成果无疑具有十分关键的意义，对我国此后稳态聚变工厂堆的建设打下了科学与实验的基础。

这无疑让我国离实现真正可利用的“可控核聚变”更近了一步。如今，我国在这一领域的研究已经走到了世界的前列，美韩等都是我国的对手。

就在不久前，韩国“人造太阳”做到了在超1亿摄氏度的情况下，等离子体超30秒的最新成绩。但显而易见，韩国同中国相比还有着不小的差距。

那么，“人造太阳”究竟是什么，为何全球这么多国家在抢着发展？

“人造太阳”为国际热核聚变试验堆，它的灵感来源于太阳，因此被称之为“人造太阳”。

在太阳的内部无时无刻不在进行着核聚变，这使得太阳能够迸发出巨大的能量。科学家希望能够模仿太阳产生能量的原理，掌握这样的可控核聚变技术，以此来解决人们的能源枯竭问题。

可控核聚变所需的氘和氚这两种主要燃料，大量的存在于海水之中，储量十分丰厚。这些燃料不说取之不尽用之不竭，但也足够人类用百亿年。而且，反应的过程不会产生有害物质，对人类环保事业也有着重要意义。

所以在人类化石能源愈发紧张的今日，越来越多的国家希望能够通过可控核聚变技术，来彻底解决这场能源危机。

不过，掌握可控核聚变技术哪里那么容易，实现上亿摄氏度点火和稳定长时间约束控制便是核聚变发电最难攻克的两大难题。

为此，无数科学家挥洒汗水、挥洒自己的热血与青春，在这些人的努力之下全球“人造太阳”才有了如今的成绩。

从上世纪50年代，我国便开始了在可控核聚变领域的研究，并在2006年建成了EAST装置。至今已经在这一领域积累下丰厚的经验，因此我国才能实现一连串的技术突破。

如今，EAST首次突破千秒大关便是在中国科学家的手中实现，更是令人激动。虽然我们如今看来，中国的这次突破用短短几句话便能够描述，但中国科学家在背后的付出、需要面对的挑战之多，却是难以想象的。

中国这一突破的背后，只要需要攻克完全非感应电流驱动、再循环与杂质控制、热与粒子排出这三大难题，十分不容易。在中国多方力量的共同努力之下，我国才有了如今的成绩。

目前，我国“人造太阳”已经分别实现了1兆安的等离子体电流、电子温度1亿摄氏度的等离子体、1000秒的连续运行时间这三大条件。

这表示，中国可控核聚变研究即将开启一个新的篇章，上到一个新的高度。在新的起点上，中国“人造太阳”还将创造怎么样的成绩，就让我们拭目以待。