用核聚变拯救人类能源危机，中国是希望之光吗？

“中国是最有可能率先实现核聚变发电的国家。”

这个话题可能有些冷门，因为大多数人可能都不知道核聚变发电是个什么东西。
举个简单的例子。钢铁侠相信大家都看过，没看过的估计也都看过复仇者联盟。不靠天赋异禀的超能力，不靠飞来横祸的基因突变，钢铁侠托尼·史塔克仅凭科技的力量：一身炫酷的机甲就拯救了世界，赢得了无数粉丝。

钢铁侠胸前那个一直闪闪发光的方舟反应堆，不需要补充煤炭汽油等燃料，不需要放射性重金属也不需要光照，而提供的能量密度却高得惊人，这样的能源在现实世界中有且仅有一种：可控核聚变。

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人造太阳

什么是核聚变？

两个较轻的核在融合过程中产生质量耗损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时虽然因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。

这是维基百科给出的定义，是不是很难懂？

简单来讲，核聚变就是两个轻原子核（主要是指氘和氚），在一定条件下互相碰撞，并释放巨大能量的一个过程。

这种解释，可能也让你看得云里雾里。再举个例子，太阳的能量从哪里来的？就是源自其自身内部源源不断的核聚变反应。太阳通过核聚变产生能量，把氢原子聚变成氦原子，这种发生在太阳核心的反应，每秒钟消耗6.2亿吨氢。

这会让你对核聚变的概念更加清晰——核聚变产生的能量是非常巨大的。

核聚变的发现是在上世纪30年代，很快就被用于武器的研究。最早开展研究的是美国，然而最先将氢弹实用化的却是苏联。1953年8月，苏联宣布氢弹试验成功，当量40万吨。

没错，人类最早应用到核聚变技术的人造工具，是氢弹。

▲1952年美国在太平洋上的氢弹实验。

▲据说朝鲜的氢弹长这样。

但氢弹的核聚变反应是不可控的，所以它才能产生比原子弹大得多的威力。太阳为什么不会爆炸？因为它的核聚变反应是可控的。由于太阳的质量足够大，产生的强大引力指向内部，抵消了核聚变产生的向外的力，达到了一个平衡，因此太阳才不会炸裂，才会源源不断地给地球提供了数十亿年的能量，并且还将持续数十亿年。

那么，人类能不能控制这种洪荒之力，为人类所用？研制氢弹的同时，科学家们也开始了核聚变民用化的研究，也就是可控核聚变。

但是谈何容易。人们都说航空发动机和芯片研究起来真难，但这两位要是跟核聚变相比，简直就是小巫见大巫。集合各国之力，以及人类顶尖科学家们的智慧，研究了数十年，却只能略知皮毛，你就知道核聚变的研究有多难了。

有一种说法是：1950年代，科学家说，50年后人类就可以用上聚变能了；2000年代，科学家说，50年后人类就可以用上聚变能了；现在科学家仍然在说50年后就可以了……

氢弹还好说，要的就是它的不可控制性，但要想实现可控核聚变，主要难在三个方面：超高温、高压和维持时间。

氢的同位素氘和氚是最常见的核聚变原料，他们的混合气体必须在超过一亿度的高温下，才能使原子核和电子分开，处于这种状态的物质称为“等离子体”；在足够的高压下，原子核才能克服相斥的力，大规模核聚变才会发生。而高温和高压还必须维持一定的时间，这样核聚变才会持续。

核聚变反应的产生还必须输出大量的能量。引爆氢弹需要用原子弹，但也只是需要那一瞬间的巨大能量，而可控核聚变反应的整个过程，需要源源不断的能量输入。因此聚变输出的能量必须大于输入，可控核聚变才有应用价值。

因此，可控核聚变的研究也被称为“人造太阳”。

但就这个一亿度的温度，地球上已知的任何材料都无法承受，目前人类已知熔点最高的钨也不过只有3000多度。

2

冷战都阻止不了人类的团结

早期的科学家们尝试了很多方案，包括仿星器、箍缩机、磁镜等，但这些装置都不稳定，实验效果很不理想。这时候核聚变技术领先的是美国和英国，两国相互竞争，但最后以失败而告终。

就在全世界的科学家们陷入绝望的时候，1958年，在日内瓦举行的“原子与和平”大会上，一直为世人所忽视的苏联代表团发表了自己的研究成果——托卡马克，俄语的意思是环状磁容器，这是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环性容器。

说简单点，这个装置周围有一圈电流环，通电后产生强大的磁场，磁场将超高温状态下的等离子体围在中间，但是不会与装置接触，这样就不会烧毁装置。

▲苏联的第一个托卡马克——T-1。

但那是在冷战时期，西方世界主导的核聚变研究，没有人瞧得上苏联的研究成果，因此很长时间没人相信。但苏联不管，一直继续着自己的研究。

随着研究的不断深入，苏联的成果一个接一个，托卡马克装置不断更新换代，而英美等国的各种尝试还是不见起色。

1968年，在冷战最激烈的时期，憋不住的英国科学家们被允许参观苏联的库尔恰托夫原子能研究所。经过漫长的安装和实验过程，该团队最终在1969年8月宣布：苏联人的研究方向是正确的。

英美被狠狠地打了脸，这一宣布也在西方国家引起轰动。

▲赫鲁晓夫还曾前往英国参观他们的核聚变设施。

看到这，有人也许会有疑问，既然是冷战最激烈的时期，苏联为什么会分享自己的研究成果给英国？

其实不是分享给英国，而是分享给全世界。

这首先得从人类现在所用的能源说起。我们经常会听到能源危机四个字，但大家可能不清楚能源危机到底有多严重。

我们现在所使用的能源大部分都是化石能源，包括煤、石油以及天然气等，这些能源都面临着很大的问题。

首先就是它们是非常有限的。人们印象中煤应该是很多的，中国绝大部分的电力都是烧煤的火力发电，但是根据估算，目前煤炭的储量大概还能再供人类使用200年。石油就更惨了，只能使用几十年。

即使到现在，人类主要的能源来源还是化石燃料。人类必须为自己的未来想一条后路，不能干等着化石燃料用尽那一天的到来。

化石燃料还导致了很严重的污染，比如这些年在中国很严重的雾霾，很大程度上就是因为烧煤导致的。于是人们开发出了各种清洁能源，比如风能、太阳能、潮汐能等，然而清洁能源也面临自己的问题——造价比较高、发电量有限。

核电站呢？核电站使用的核裂变技术，所用的燃料也是化石燃料——铀，这也是一种有限能源，开采几十年也会开采完。

而且核电站还面临泄露的问题。切尔诺贝利核电站、日本福岛核电站都发生过核泄漏，而且都很严重，一旦泄露对人类产生的影响不可估量。如果成为恐怖分子袭击的目标，后果更是不敢想象。

▲福岛核电站事故。

另外核电站产生的的核废料也很难处理，因为废料是有放射性的，可以放射几百年几千年，甚至是上百万年。

对比之下，核聚变的优势就体现出来了，简直堪称完美。

首先，核聚变的效率更高。核裂变的效率就已经非常高了，1克的铀235裂变出的能量大概相当于1.8吨的汽油。而用1克的氢或者氢的同位素氘和氚进行聚变的话，可以释放出的能量相当于8吨汽油。

核聚变的第二个好处就是它的原料非常丰富。核聚变用的燃料主要是氘和氚，这两种元素海水里面多的是，一升海水里面产生的氘和氚，核聚变产生的能量相当于300升汽油。

这就是真正意义上的“水变油”了。假如我们把整个大海里所有的氢的同位素都拿过来聚变的话，这个能量大概相当于世界石油储量的1000亿倍，可以供人类使用几百亿年，用到太阳爆炸也用不完。

核聚变还有一个好处就是安全、清洁。由于核聚变的反应条件十分苛刻，必须高温高压高密度，一旦发生泄漏，也不必害怕，因为只要一停机，聚变反应就停止了，而且氘和氚的放射性，但是它的放射性半衰期是12年，也就是说经过几十年之后基本上就没有放射性了。

高效，安全，无污染，且取之不尽用之不竭，这就是人类解决能源问题的终极方案，所以很多国家都趋之若鹜。

然而，核聚变研究所面临的困难，以及巨大的资金投入都不是一个国家所能解决的，这需要全人类的努力。各国都心知肚明，因此自然而然就走上了的团结的道路。

在1985年日内瓦首脑会议上，里根和戈尔巴乔夫联合倡议建立一个核聚变研究的国际组织，于是，“国际热核聚变实验堆”项目于1988年正式启动。当时仅有四个国家和联盟参与，分别是美国、苏联、欧共体和日本。

▲两个死对头坐在一起谈笑风生，商讨人类未来

理想很崇高，但真正实行起来大家却有各自的算盘。

美国想得是，在这上面烧这么多钱，势必会影响到国内的核聚变研究，而且国会要照顾到石油集团的利益，不会轻易拨款支持新能源。俄罗斯自苏联解体后，经济出现问题，靠卖石油续命，对合作计划也不是很上心。而日本被90年代的股市、房市泡沫打垮，也没多少钱去支持研究。

只剩下欧盟一家还在坚持，所以进展一直很缓慢。

即便如此，中国工程院院士，也是我国核聚变研究的领头人李建刚曾说过，“核聚变研究可能是全世界科学家合作最好的一件事。”从这句话你就能理解为何冷战都阻挡不了人类在核聚变研究上的合作了。

那么中国的核聚变研究呢？

3

兔子的崛起

当时的中国经济、技术十分落后，因此也没人愿意带我们玩。但我国的托卡马克研究开始的时间也不晚。

当世界的可控核聚变研究如火如荼时，中国“人造太阳”的建设也没有掉队。

早在1955年，钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究，这与国际社会关注核聚变几乎同步。

1965年，根据国家“三线”建设统一规划，在四川省乐山市郊区，建立了当时中国最大的核聚变研究基地——西南物理研究所，这也是中核集团核工业西南物理研究院的前身。

而中国核聚变研究史上的重要里程碑，当属1984年中国环流器一号（HL－1）的建成。这是中国核聚变领域的第一座大科学装置，它为中国自主设计、建造、运行“人造太阳”培养了大批人才，积累了丰富经验。

然而这跟世界先进水平还有一些差距。

一个偶然的机会，让中国的托卡马克有了飞跃的机遇。

苏联解体后，经济陷入困境，没钱去维护一台名为T-7的托卡马克，拆了又怪可惜的。既然是关系到全人类的事业，“送”给别国是一种不错的选择。但送给欧美诸强又不甘心。

于是就想到了中国。莫斯科的库尔恰托夫研究所给中国写信，表示愿意赠送超导托克马克装置T-7，而苏联研制的第一个托卡马克，名叫T-1，所以T-7可谓根正苗红。

其实名曰赠送，中国也没白拿，而是用了价值400万的皮毛、瓷器和家具等物资，换来了一台价值1800万卢布的托卡马克，简直赚翻了。

后来呢？后来发生的事情我猜你肯定也能猜到，中国的核聚变事业开始起飞。

经过不断的拆解和改造，在T-7的基础上，中国科学院等离子体物理研究所于1994年建成了HT-7超导托卡马克，也就是“合肥超环”。中国掌握了超导托卡马克技术，成为了继俄罗斯、日本和法国之后，世界上第四个拥有此类装置的国家。

在HT-7上，中国科学家做了很多实验。一系列的实验结果表明，HT-7成为继法国Toresupra装置之后，世界上仅有的两个可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的国际合作平台之一。2008年3月21日凌晨，HT-7连续重复实现了长达400秒的等离子体放电，电子温度1200万度，打破了法国保持的记录。

专业术语看不懂？其实你不用懂，只要知道合肥超环很牛就行了。

更关键的是，HT-7为中国造就了一大批优秀工程技术、科研和管理人才，也为中国聚变研究事业的持续发展奠定了坚实的人才基础。

合肥超环的建造过程中，很多零部件还需从俄罗斯进口，很多时候还需要俄罗斯专家来检修，核心技术并没有百分之百实现国产化。

有一次，请来一位俄罗斯专家，下午5点多乘飞机抵达，那位专家先是要吃饭、要喝酒，后来又说累了要休息，全所上下几百人就眼睁睁地等着他休息好。从那时起，等离子体物理研究所就下定决心，最关键的技术部分，一定要百分之百国产化。

兔子的潜力你们懂的。又过了10年，也就是2009年，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）首轮物理放电实验取得成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。

EAST又被称为“东方超环”，绝大部分零部件都实现了国产化，并且关键的技术部分实现了百分之百国产。

随着中国的聚变事业开始走向国际舞台，国际热核聚变实验堆项目也开始找上了中国。

2002年，欧盟、日本、俄罗斯经过协商，欢迎中国加入。曾于1999年退出的美国看到中国都加入了，于是也宣布重新加入，韩国和印度也被拉了进来。

商议的最终结果是，欧盟承担45%的建造任务，其余六国分别承担9%，总投资100亿欧元，要建造世界第一个真正意义上的人造太阳。计划用10年时间建造反应堆，然后用20年的时间运行实验，最后5年用以拆除设备。

计划得很好，但实际执行起来却麻烦不断。首先是在选址问题上出现了严重的分歧，日本、法国、西班牙、加拿大都想把这一项目拉到自己国内。后来，西班牙、加拿大实力不够先后出局。

就剩下了法国和日本就实验堆的选址问题争执不下。法国希望建在本国的卡达拉舍，而日本则希望建在自己的青森县六所村。

其它成员国都根据自己的利益各有支持，美国、韩国支持日本，欧盟、俄罗斯支持法国。

俄罗斯支持法国除了有欧洲地缘政治的关系之外，更主要是在很多国际问题上俄罗斯和法国立场相近，美韩和日本是同盟关系，美国在伊拉克等问题上与法国很“不愉快”，而日本则旗帜鲜明地与美国站在一起。

关键的一票就拿捏在了中国手里。为了拉拢中国，日本曾私下承诺，如果中国支持日本，项目建成后，日本将出让10%的高层职位。

但中国最后还是从实事求是出发，出于安全考虑表示支持法国，因为日本存在地震和海啸问题。一旦出现地震摧毁ITER的情况，各国所有的努力都会功亏一篑。

所以ITER最终建在了法国的卡达拉舍。

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希望在中国

然而，从2006年七方签订协议到现在，14年过去了，国际热核聚变实验堆还没有建成，更别提实验了。

由于工程量巨大，困难超出预期，各国的利益诉求也不一样，互相扯皮，导致工期一拖再拖。但中国却总是能按时保质保量地完成自己的任务。

▲ITER的建设。

2019年9月，在中核集团的牵头下，成立了的中法联合体，并与ITER组织签订了托卡马克主机TAC-1安装标段工程合同，也就是说，实验堆的核心部件的安装都交给了中国。之后，工厂建设的速度立马加快。作为该标段的第一个重要工程节点，今年5月，中国完成了杜瓦底座（托卡马克装置压力容器的底座）的吊装工作，这个1200吨的底座，等同于大楼的地基，托卡马克的所有重要设备，都要放在上面。

就在前不久，国际热核聚变实验堆最后的工程安装也正式启动，距离建造完成只是时间问题。ITER组织总干事贝尔纳·比戈在启动仪式发布会上说，中国以快速的工程反应和科研进步，成为各合作方中兑现国际承诺的典范。

从一无所有，到后来居上，并担负起身为一个大国的责任，中国用了50多年的时间。

有人会问，我们为什么要倾尽全力去参与这样一个看似虚无缥缈的项目？

因为中国对核聚变发电的需求比任何一个国家都急迫。

我国是一个能源大国，在本世纪内每年的能耗都将是数十亿吨标煤。由于条件限制，在长时间内我国能源生产都将以煤为主，所占比例高达70%。考虑到我国社会经济的长期可持续发展，我们必须尽快用可靠的非化石能源（如核裂变或核聚变能、太阳能、水能等）来取代大部分煤或石油的消耗。

▲东方超环内部。

因此，必然应该在能力许可范围内积极开展核聚变能的研究，尽可能地参加国际核聚变能的大型合作研发计划（如ITER计划）。我国参加ITER计划是基于能源长远的基本需求。

而且，我国的的人口是美国的五六倍，但是我国每年人均使用的能源其实只有美国的1/13。假如我们想达到跟美国一样的生活标准的话，那我们每年所需要的能源将是美国的数倍。到时候整个世界能源可能都不够我们一个国家消耗的了，所以我们必须得研究出一种更加高效清洁的能源来。

就在今年4月，“东方超环”的等离子体中心电力温度，首次实现1亿摄氏度运行近10秒，再次创造了核聚变的世界纪录。

▲东方超环内部的等离子体。

除了保证完成ITER交给的任务，2017年，中国开始建造自己的核聚变实验堆项目——中国聚变工程实验堆（CFETR），借鉴了ITER的很多技术，计划在2035年建成。

目前ITER的功率是50万千瓦，我国未来的新实验堆将实现200万千瓦，聚变功率是ITER的4倍。

▲中国聚变工程实验堆

目前，世界上先进的托卡马克装置，包括法国的Tore-Supra、俄罗斯的T-15、日本的JT-60U和中国的东方超环EAST，但这些都是实验装置，主要用来研究核聚变。

而我们中国的聚变工程实验堆的目标，是要真正实现核聚变的发电，并将核聚变发电实现商业化，最终彻底解决中国的能源危机，以及解决世界的能源危机。

所以，我们可以大胆推测，如果人类将来真的实现了核聚变发电，那么它点亮的第一盏灯，一定会在中国。

如果真是如此，这才是真正意义上的的拯救世界。

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