可控核聚變是人類對能源問題終極的解決方案，人類耐以生存的太陽的能量本質(zhì)上就是核聚變產(chǎn)生的，那么這么終極的東西人類目前研究的怎么樣呢？

輕原子核高速撞擊生成重原子核會放出大量能量。目前考慮比較多的有三種反應(yīng)分別是DD反應(yīng)，D-He3反應(yīng)和DT反應(yīng)。我們希望找到原料獲取簡單同時容易發(fā)生的反應(yīng)，可惜目前沒有這么好的事情。DD反應(yīng)的原料為氘，優(yōu)點是原料容易獲取，是三種反應(yīng)中最難發(fā)生的。（氘和氚是氫的同位素，氘的原子核內(nèi)有1個質(zhì)子，1個中子。氚的原子核內(nèi)有1個質(zhì)子，2個中子。）D-He3反應(yīng)的原料為氘和He3，地球上沒有天然的He3，月球上有很多，未來的未來可期。DT反應(yīng)的原料為氘和氚，DT反應(yīng)是所有核聚變反應(yīng)中最容易發(fā)生的，目前實際實驗的可控核聚變裝置都基于這個反應(yīng)。氘在自然界中大量存在，可以認(rèn)為“用之不竭”；而氚則需要通過中子輻照鋰-6而產(chǎn)生。 氚（T）的半衰期短，自然界中不存在天然氚。人工制造困難，上億美元一千克，還是有價無市。因此，可控核聚變中氚的循環(huán)利用是一個可研究的課題。作為所有核聚變反應(yīng)中最容易發(fā)生的，DT反應(yīng)的條件同樣十分的嚴(yán)苛，我們該怎么樣讓高速運動的輕原子核撞在一起呢？很直接的想法是把原子給按住了讓它們?nèi)シ磻?yīng)，可惜做不到。溫度越高，原子運動速度越快；壓力越高，即單位體積內(nèi)原子越多，原子碰在一起的概率越大。還有一個條件是把它們控制住的時間叫約束時間。溫度、密度、約束時間共同作用決定一個聚變反應(yīng)能否發(fā)生，滿足聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的條件叫點火條件?？煽睾司圩冃枰臏囟仁乔f度這個量級。這么高的溫度很難用普通的方法去反應(yīng)，有兩種方法是研究得比較多的。其中一種是激光慣性約束，2019年的文章顯示我國激光慣性約束聚變（ＩＣＦ）己進(jìn)入點火的攻堅時期。另一種是目前希望最大、研究最多的磁約束，我們接下來介紹的托卡馬克裝置用的就是磁約束。??????????????????????????????????????????????? 。

托卡馬克裝置是一種環(huán)形裝置，通過約束電磁波驅(qū)動。托卡馬克的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度。等離子體是什么？在幾千萬度的高溫下，原子核和電子之間的聯(lián)系會被打斷，電子脫離原子核的束縛成為自由電子，剩下的帶正電的原子核，集合在一起，被稱為“等離子體”。托卡馬克最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的物理學(xué)家列夫·阿齊莫維齊等人在1950年代發(fā)明的。

中國自主設(shè)計、建造, 并成功投入實驗運行的世界首臺全超導(dǎo)托卡馬克就是EAST（東方超環(huán)）。EAST項目要同時具有上億溫度的“超高溫”、﹣269℃的“超低溫”、“超大電流”、“超強(qiáng)磁場”、“超高真空”等極限條件，建設(shè)過程耗費了研究人員的很多心血。由于托卡馬克的設(shè)計本質(zhì)上是脈沖式的, 它并不能自然地實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行。但對于聚變反應(yīng)堆,穩(wěn)態(tài)運行才是最佳的運行模式。如何實現(xiàn)托卡馬克穩(wěn)態(tài)運行是磁約束聚變科學(xué)領(lǐng)域面向聚變堆的重要科學(xué)問題。2018年，東方超環(huán)實現(xiàn)加熱功率超過10兆瓦，等離子體儲能增加到300千焦，在電子回旋與低雜波協(xié)同加熱下，等離子體中心電子溫度達(dá)到1億攝氏度。要實現(xiàn)高約束運行模式的等離子體放電, 總加熱功率必須超過相應(yīng)的閾值. 僅靠裝置磁體線圈感應(yīng)產(chǎn)生的歐姆場加熱, 難以達(dá)到該閾值。EAST對輔助加熱系統(tǒng)進(jìn)行了重大升級。2021年5月28日，東方超環(huán)成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。

ITER（國際熱核聚變實驗堆）計劃是目前世界上最大的聚變反應(yīng)堆實驗工程。2006年七方正式簽署聯(lián)合實施協(xié)定，啟動實施ITER計劃。這七方分別是歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國和中國。在貢獻(xiàn)率方面，歐盟一方的貢獻(xiàn)率約為50%，包括中國在內(nèi)的其余六方貢獻(xiàn)率各約為9%；我查了ITER具體的實施過程，發(fā)現(xiàn)并不是很清楚。百度百科上說ITER計劃將歷時35年，其中建造階段10年、運行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年，連個來源也沒有。維基百科說有望在2025年產(chǎn)生第一個等離子體。維基百科引用的是一個網(wǎng)站的信息。http://www.iter.org/ 這個網(wǎng)站的信息已經(jīng)于2012年停止更新，信息滯后性很強(qiáng)。這個網(wǎng)站給出的計劃是于2010年開始建設(shè)，有望在2020年產(chǎn)生第一個等離子體。國資委引用中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司的文章，顯示2021年9月ITER項目主機(jī)安裝第一階段安裝完成，為第二階段真空室安裝創(chuàng)造了關(guān)鍵條件。可以看到與原計劃相比現(xiàn)階段的進(jìn)度已經(jīng)落后。

最后回到標(biāo)題中的問題，我們什么時候能用上可控核聚變發(fā)的電呢？對此我的回答是信息不足無法解答。今年“兩會”期間，中核集團(tuán)核聚變堆技術(shù)領(lǐng)域首席專家段旭如在接受記者采訪時表示，預(yù)計到2050年左右，人類可使用上核聚變能源。注意這里使用的詞是人類，我傾向于將這句話解讀為2050年左右可以核聚變可以發(fā)出實際使用的電，想要大規(guī)模推廣，接下來得降低成本，讓其有經(jīng)濟(jì)價值，這可能會是更難的一件事。路要一步一步走，2050年離今年有22年，看起來很遠(yuǎn)，上個世紀(jì)50年代蘇聯(lián)的阿齊莫維齊等人在研究初代托克馬克裝置，那時的人們也很難想象現(xiàn)在的世界是這個樣子吧。回顧整個地球、整個宇宙的歷史，人類的一生十分的渺小，科學(xué)技術(shù)也不是穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)步的，羅馬帝國的技術(shù)就比中世紀(jì)的技術(shù)要好。沒有剝削、沒有壓迫、人類實現(xiàn)自由的社會其必然是生產(chǎn)力高度發(fā)達(dá)，科技高度進(jìn)步的，要達(dá)到那樣的社會需要依靠人的勞動。一個人的力量是有極限的，所以無數(shù)人的力量是無限的。我們沒辦法預(yù)測未來，但我們都期望有更好的明天。

參考的文章：

[1]彭述明. 聚變能源中氘氚燃料循環(huán)的問題與思考[C]//.第二屆中國氚科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集.[出版者不詳],2017:12.

[2]武佳銘.可控核聚變的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電子世界,2017(21):9-13.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2017.21.003.

[3]丁永坤,王敏,鄒士陽,鄭無敵,宋鵬,藍(lán)可,古培俊,葉文華,王立峰,李欣,霍文義,蔡洪波,戴振生,谷建法,******,朱少平,張維巖,賀賢土. 激光慣性約束聚變物理研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[C]//.第十九屆中國空氣動力學(xué)物理氣體動力學(xué)學(xué)術(shù)交流會摘要集.[出版者不詳],2019:6.DOI:10.26914/c.cnkihy.2019.067079.

[4]葉華龍.淺析EAST托卡馬克及中國核聚變相關(guān)研究[J].科技與創(chuàng)新,2021(12):92-93.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2021.12.037.

[5]萬寶年,徐國盛.EAST全超導(dǎo)托卡馬克高約束穩(wěn)態(tài)運行實驗研究進(jìn)展[J].中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué),2019,49(04):47-59.

知乎，汪鍵是個大胖子，核能漫談專欄

《中國科學(xué)報》 2021-11-26 第1版 要聞