去看了中国环流三号后，我们发现可控核聚变可能真不用等50年了

100 度，能让水从液体变成气体；子弹发射的瞬间，枪管温度大概在 700-1000 度左右；如果从地面一直向下挖，地球核心温度有 6000 度。 再抬头，太阳的中心温度高达 1500 万度。大部分时候，这里是太阳系内温度最高的区域。 但在 2025 年 3 月 28 日，国产托卡马克装置「 中国环流三号 」以原子核 1.17 亿度，电子 1.6 亿度的双亿度记录，短暂夺过了这一桂冠。 在这 10 秒内，它就是太阳系内的最高温度。 比太阳核心还高 10 倍的温度是如何做到的？人类如何关住这上亿度的高温？以及最关键的，人类距离商用可控核聚变，到底还剩多少年？ 带着这些问题，我们在抖音科技的邀请下来到了核工业西南物理研究院，试图解开核聚变的秘密。 他们的新院区很帅，建筑中间那个中庭就是一个托卡马克的形状，建筑旁边的部分就是约束的空间。像国际热核聚变实验堆（ ITER ）计划，包括第一壁包层和磁体支撑的研发也在这个院。 今天我们来这里就想要搞清楚这件事：托卡马克或者说核聚变到底还有多少年才能够实现？ 聚变三重积 20 世纪 50 年代初，人类刚刚掌握了不可控的核聚变技术 —— 氢弹。 随后美、英、苏等国便开始秘密投入大量资源，试图将这种能够释放巨大能量的物理过程转化为可控的民用能源。 但在研究过程中，科学家很快意识到，只有当能量的输出大于输入时，聚变反应才是可以持续的。 这里说的「 可持续 」不是经济学上讲的投入产出比，当然投入产出比也是很重要的，后面会说。 而是说，只有产生的温度能够维持自己继续燃烧下去，核聚变才能一直发生。 为了让核聚变能够持续，需要将温度加热到 1 亿度以上，为什么需要这么高？ 你可以把核聚变想象成烧一堆煤。 我们必须先用一个足够高的温度点着它，只有当一部分煤球被点着了，释放的热量能够继续点着下一个煤球，这堆火才能持续烧起来。 煤球燃烧的话，我们会说需要燃烧三要素：可燃物、温度和氧气。 带入到核聚变，其实也需要三要素：密度、温度和持续时间。 1957 年，英国物理学家约翰·劳森，经过严密的计算推导，指出了核聚变自持需要三个关键因素，这一推断被称作劳森判据。 后续科学家在劳森的理论基础上继续提炼，最后总结出了核聚变点火的核心条件，也就是所谓的「 聚变三重积 」。 我们可以拿太阳来举个例，太阳的核心温度只有 1500 万度。 但它的质量非常大，巨大的质量带来了巨大的引力约束，这股引力能把氢原子极致压缩，压缩到黄金密度的 8 倍以上，在这么高的密度下，原子核之间碰撞得极其频繁。 再加上太阳本身就是一个能够维持几十亿年的超级容器。 一定的温度、巨大的密度以及近乎无限的约束时间，是太阳能够维持聚变的原因。 但在地球上，我们不可能有无限的物质和无限的约束时间，所以只能想办法尽量提高温度，来达到聚变三重积的最低阈值。 说起来很简单，但实现起来却没那么容易。 就像开头提到的，我们可以很轻松将温度升高到几百甚至上千度。 但几亿度？那就完全是另一个层面的事了。 如何把物质加热到1亿度以上？ 咱们先从简单点的方式开始。 这是初中就学过的焦耳定理，其中有三个关键参数，电流、电阻和热量。 不用记公式啊。 你就知道，如果一个东西有电阻，我们再给它通电，增加电流，它就会发热。 电流越大、发热就越高。咱们生活中  常见的吹风机、电热毯、热得快，用的都是这个原理。 但是这些生活器件能产生的温度太低了。吹风机、热得快的电流只有 7、8 安，保温用的电热毯更是只有 0 点几安。它们的温度最高也就只能达到几百摄氏度而已。 托卡马克装置中其实也有运用这个原理进行加热，但规模完全不同。 作为国内目前设计参数最高的托卡马克，环流三号设计的等离子体电流可以达到 250 至 300 万安培。 但加热阶段，只会用到 160 万安左右的电流。还有很多富裕的冗余，不是说设计出来为了保证安全，也不是要省下来给其他部件用。 而是在托卡马克装置中，反应物的电阻会随着电流的增加而不断降低。当电流达到数百万安培时，反应物的电阻会降得比导电铜线还低。 这么低的电阻，即使再加大更多电流，也很难继续升温了。 那这个时候托卡马克中的温度能有几度呢？ 不高，将将几千万度而已。几千万度对于太阳这种小别扇还勉强够用，对地球上的核聚变来说根本是挠痒痒。 所以，我们还需要其他加热方式。还有什么方式能产生热呢？ 欸，肯定有小伙伴要抢答了：动能能够转化成热能。 没错，这就是托卡马克中的另一种加热方式：中性束注入法（ NBI ）。 这个名字可以拆解成两个部分，首先是注入。 你可以把这个过程想象成发射高能粒子炮，带有巨大动能的炮弹，被射入到已经上千万度的等离子环中，将动能转化成热能，实现加热。 注入已经把加热的原理讲完了，为什么还要提到中性呢？ 这是因为，托卡马克的核心部分其实是一个非常非常强的磁力牢笼。 拿环流三号来说，它的磁约束部件能够形成 3 特斯拉的巨大磁场。特斯拉是一个很大的单位，3 特斯拉相当于地球磁场的 6 万倍。 这么强的磁力牢笼，带电粒子是发射不进去的。 但不带电的粒子，我们又抓不住它，没办法发射。所以，NBI 的解决办法是，先抓到带电粒子，给它加速，发射之后再把它变成不带电的。 大伙儿都知道，核聚变的反应物通常是氘和氚。 它俩都带电，所以可以在外部把氘离子加速到极高速度，之后将高速氘离子束注入中和室，中和室内有低压的中性氘气。 高速氘离子束和中性氘气碰撞，会从后者身上抢走一个电子，然后它本身就变成中性的了，但还是保留着巨大的动能和极高的速度。 再把中性的原子射向反应中心，就能穿过强大磁场，直接碰撞中间的等离子环，为它加热了。 除了电阻加热和中性束注入法之外，环流三号中还配备了电子回旋共振加热（ ECRH ）和离子回旋射频加热（ ICRF ）。 这两种加热方式有点像是微波炉，通过高频电磁波与电子和离子共振，进行加热。 经过四套系统的混合加热，2025 年 3 月，环流三号实现了离子温度 1.17 亿度、电子温度 1.6 亿度的巨大突破，创下了我国聚变装置运行的新纪录。 火柴算是划亮了。 但马上又有新的问题，一亿度，是太阳系内最极端的温度，没有任何已知的实体材料能够承受。 哪怕是最耐热的钨，3422 度时就会熔化，连它的零头都接不住。 那这团亿度高温，到底应该怎么装在容器里呢？ 怎么关住一亿度的高温？ 答案是：没法装，只能让它 " 漂 " 在半空中，不接触任何东西。当然不能是乱漂，得是受控的漂。 这就是托卡马克俄语原称的由来，用磁力约束来克服地球重力和等离子体的膨胀压力。 咱们前面讲注入加热的时候提到过，氘氚聚变的反应物是带电的，既然带电，咱们就可以用磁场来控制它们。 这是一根磁感线。 带电粒子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的影响，结果就是，粒子会像被串在线上的珠子一样，只能沿着轨道做螺旋运动。 所以，只要我们用磁场围出一个首尾相连的甜甜圈形状，粒子就出不去了。这就是托卡马克最基本的造型。 但甜甜圈型的磁场有个问题。它的内圈短、外圈长，所以内圈的磁场会 " 挤 " 得更密，外圈则相对稀疏，整体并不均匀。 这种不均匀会推着粒子往侧边漂。正电荷往上飘、负电荷往下飘，最终就都撞在反应堆内壁上了。 要解决这个问题，光是绕大圈不够，还得让粒子的轨迹扭起来。 想象一下，你在甜甜圈表面画一条线，不只是绕着大圈走，同时还在小圈上绕，这条线就会变成一条螺旋。 粒子沿着这样的螺旋跑，就会一会儿出现在内圈、一会儿出现在外圈，内内外外之间，从不均匀的磁场受到的力就给摇匀了，粒子就被牢牢锁在了磁场里。 托卡马克最核心的约束思路，其实就是把稳定的磁场给扭成螺旋状。而要造出这道扭转，需要三套线圈协同工作。 在环流三号中，最外层 20 个竖立的 D 型「 环向场线圈 」，是甜甜圈的骨架，负责勾出基本的环形磁场。 装置正中间的「 中心螺线管 」，则像一个大变压器，给等离子体感应出一道环向电流，由这道电流再产生一个垂直方向的磁场，与原来的环形磁场叠加，最终造出那道关键的螺旋。 最后是 16 个横躺的「 极向场线圈 」，专门负责控制。 等离子体一旦通了大电流，就会像充气轮胎一样往外膨胀，极向场线圈能够产生一个垂直方向的磁场，把等离子体死死按在真空室中央。 不仅如此，多重极向场线圈还能精准地把等离子体的截面，从标准的圆形捏成类似橘子瓣儿的形状。 这样的形状能承受更高的压力，运行起来也更稳定。三套线圈各司其职，才能把一团一亿度的等离子体，稳稳锁在了真空室的中心。 现在，你已经掌握了一台托卡马克装置最核心的两大部件。 利用它们，核聚变反应既能被控制，也能被加热，太阳的活儿，咱们在地面上也能干了。 那么咱们就马上手搓一台，准备奔向星辰大海吧。 欸，但是先等一下，这不是很奇怪吗？核聚变的物理原理已经如此清晰，可行性也已经在天上经过了 46 亿年的验证。 可为什么直到今天，我们还是见不到真正商用的可控核聚变装置呢？ 还有哪些问题？ 这是因为还有三个真正的困难，人类无法解决。 分别是，第一壁不够硬、氚自持难实现和 Q 值提升不上去。 所谓的第一壁，指的是核聚变过程中直面氘和氚的那一层，它是真空室内的独立结构。 虽然托卡马克装置巧妙地利用磁力将元素约束在了一个圈圈里。但是在聚变过程中，除了带电的质子之外，还会产生非常多不带电的中子。 这些中子不受磁场约束，会在惯性作用下源源不断地撞击第一壁。 而地球上目前并没有非常好的物质能够完全抵御这种撞击。 大伙脑子里想到的像是不锈钢之类的材料，在中子地撞击下会脆化膨胀。 实验室里坚持个几百秒倒是还好，但是在商用级核聚变里，装置要求能够持续运行以年记的时间。 在几年甚至几十年的时间里，这层壁能不能一直保持住工业生产的要求，就很难说了。 针对这种情况，目前主流的想法是用钨来硬顶，但这个方法是不是真的好用，坦白说还不知道，只能是等一台正式进行氘氚聚变的托卡马克开火后尝试。 其实现在还有一种流派，计划使用液态的锂墙来当第一壁，流动的墙显然就不会被撞坏了。 但是不是真的能这么做？我们专门采访了聚变研究所主机技术研究室副主任黄文玉老师。 有这种设计概念但是它有非常非常大的一个问题就是：它的磁流体不稳定性。 因为我们里面刚刚也讲到我们是磁约束的，你磁场在里面它就有一个对金属这种导电的，它会有一些影响。 金属锂在流动的过程当中就可能会有一些电流什么的，那你的电场作用下它就会发生一些不稳定的波动或者怎么样，它很容易就出去了。 按照黄老师的说法，锂墙思路的劣势目前看来是远大于优势的。 除了第一壁外，还有一点是反应物够不够。目前的托卡马克装置，计划使用的都是氘和氚。 你或许听过核聚变需要的元素海里就能提取，但这里说的只是氘，氚在地球上的丰度非常低。 目前全人类的氚存量不过只有 25 公斤。 就算核聚变的效率再高，这么点物质能够释放出的能量也是有限的，开足了火力烧的话，全人类的氚库存可能都顶不过半年。 所以，如何获得稳定的氚，让反应可以持续下去也是亟待解决的问题。 好消息是用中子撞击锂元素，能够生成部分氚，这个是理论上最容易实现氚自持的路径了。 但在实践中，还没有人真的把整个链路跑通。 即使在国际热核聚变实验堆（ ITER ）计划当中，氚增值也是所有国家不共享的实验，从这就能看出氚自持不仅非常难，而且几乎可以视作可控核聚变的最后一把钥匙，谁能先掌握这套流程，谁就能跑在所有国家前面。 还有第三个问题，Q 值提升非常困难。 Q 值其实就是投入产出比，你投入 1 份能量，对应的核聚变装置能产生出多少份能量的意思。 这个值当然是越大越好，但你起码得大于 1，才说明这套装置是划算的。 咱们在新闻中其实经常能看到，某某实验的 Q 值达到一点几、二点几、甚至是三以上。 这看起来好像已经非常可行了是吧。但是这些新闻没告诉你的是，这里的 Q 值只算了真正参与实验的能量，没算维持实验的能量。 像是 NIF 在 2025 年实现过输入 2.08 兆焦耳激光、输出 8.6 兆焦耳聚变能的记录，这样算下来 Q 值都超过 4 了。 可实际上，为了给这些激光蓄气，需要的总能量超过 300 兆焦耳，这样算下来，所谓的可控核聚变，根本是赔本买卖。 不管第一壁和氚自持有多难，说到底都只是工程问题，多跑跑，无论是三年五年还是十年一百年，总归会有个结果。 Q 值的投入产出问题，才是可控核聚变是否能够真正实现商业化的根本制约。 考虑到托卡马克装置运行过程中的低卡诺效率（ ~30–40% ）、低温磁体冷却耗电，还有辅助加热、真空泵、氚循环等等系统的消耗，最终的设计的 Q 值要达到 30 甚至 40 才划算。 这就造成，可控核聚变不是不能实现，而是不值得去实现。 讽刺的是，为了憋出核聚变这样的终极能源，人类不得不先发展光伏、风能、裂变这样的过渡能源。 但是光伏、风能又如此廉价好用，以至于人类根本没有动力投入所有资源梭哈核聚变。 可以说，造成核聚变永远都需要再等 50 年的原因，可能就是石油永远都够用 50 年。 慢着，核聚变真的永远还需要 50 年吗？起码在业内人看来，事情并没有那么悲观。 聚变研究所主机技术研究室副主任 黄文玉老师 那我们下一步要研究什么？就比如说我们这个聚变。 我们现在一直是所谓的五步走：最开始是最基本的科学原理的探索；第二个是规模实验；第三个就是燃烧实验研究；第四个就是实验堆的一个研究；第五个就是示范堆的研究。 它每一个步骤它都有自己的这个使命或者说是目标。 如果说我们未来的这个工程示范堆要在 2050 年建成的话，那肯定是 203X 年我们就可能已经定稿了。 对实际上我们现在也是在做一些规划或者初步的概念设计。 如此说来，目前看到这个视频的大部分人都能赶上示范堆的定稿和建造，甚至能够在 2050 年体验到完全体的托卡马克。 如果真的有考古党 2050 年还在看到这篇文章，能不能评论告诉我：这核聚变发出来的电，听起来到底硬不硬呐？ 撰文：冯飞房 编辑：杨子 & 蛋布利多 & 小鑫鑫 后期制作：迎风 & 反反 & 小杨 & Sam 美编：焕妍 图片、资料来源： Some Criteria for a Power Producing Thermonuclear Reactor -  J. D. Lawson 中国环流三号（HL-3）壁处理系统研制 - 曹诚志、颉延风等 ICRF heating schemes for the HL-2M tokamak - L. F. Lu、B. Lu、X. J. Zhang等 Cladding and Duct Materials for Advanced Nuclear Recycle Reactors - T.R. Allen、J.T. Busby等 New insights into microstructure of neutron-irradiated tungsten - M. Dürrschnabel、M. Klimenkov等 HL-2M 装置第一壁传热结构设计及传热性能测试 - 刘健、赖春林、王金等 The component development status of HL-2M tokamak - Li Qiang HL-2M偏滤器超汽化结构冷却性能研究 - 李云峰、蔡立君等 HL-2M初始等离子体第一壁安装研究 - 黄文玉、李连才、蔡立君等 基于机器学习的托卡马克偏滤器靶板热负荷预测研究 - 吴阳海、杜海龙、薛雷等 Magnetic pickup coil systems on the HL-3 tokamak - A. Wang、S. Y. Liang等