## 核聚变新能源能改变世界吗？

今年12月13日爆出一个大新闻，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，简称LLNL）的「国家点火装置（national ignition facility，简称NIF）」，在核聚变实验中首次实现了「净能量增益」，也就是聚变产生的能量超过了实验输入的能量，输出输入比Q>1。美国能源部官员非常激动，公众反响也很热烈。那这是不是说明核聚变发电已经被证明可行，即将改变世界了呢？

完全不是。在我看来这个实验结果的商业价值为0，技术价值非常遥远，科学价值也相当有限。它最大的价值是给美国能源部一个政绩，让NIF有理由继续获得经费。

但不论如何，这的确是一个好消息。怎样理解这个消息呢？对这种尖端科技你需要从三个方面考察：科学上的可能性、技术上的可行性和商业上的可盈利性。

我以前就是从事跟受控核聚变相关的物理学研究的。咱们不吹不黑，我来给你讲点内行的观点。

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先简单说说核聚变是怎么回事。核聚变，是两个小原子核聚集在一起，形成一个比较大的原子核的过程。最简单、也是现在所有核聚变研究都使用的，就是氘氚聚变——

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氘和氚是氢原子的两个同位素，氘是由一个质子和一个中子组成，氚是由一个质子和两个中子组成。它们两个聚在一起，会变成一个大原子核，也就是氦，和一个中子。其中这个氦原子核由两个质子和两个中子组成。

现在有意思的事情发生了。反应两边质子和中子的个数一个没多一个没少，但是反应出来的那个氦原子核的质量，加上那个中子的质量，要小于之前氘和氚的质量之和 [1]。那么根据爱因斯坦相对论，相差的质量就变成了能量，这个能量就是核聚变送给我们的礼物，可以用来发电。

核聚变在理论上只需要极少的燃料就能得到极多的电能，没有碳排放，几乎没有空气污染，基本上是一种取之不尽用之不竭的能源。可以说是人类的终极能源解决方案。

但是要想真正实现核聚变发电，我认为需要五个里程碑。第一是让核聚变发生，第二是实现点火，第三是形成稳定输出，第四是发电，第五是赚钱。

每一步都很困难，而且越往后越困难。

想让一个氘原子核和一个氚原子核发生聚变，它们必须离得非常非常近才行。但两个原子核都带正电，它们会互相排斥，那怎么才能让它们离很近呢？你必须得让它们以极高的速度碰撞。

在宏观上，这就要求我们把一堆氘氚原子放在一起，保持一定的密度，加热到极高的温度，持续比较长的时间，才能让原子核互相充分碰撞。

做这件事有两个主要路线，一个是「磁约束」，我们专栏以前讲过 [2]。这一讲重点说另外一条路线，也是NIF的路线，「惯性约束」。

首先你要把温度降低到接近绝对零度，这时候氘氚原子呈现为固态颗粒，把它们装到一个一毫米大小的小胶囊里，这个小胶囊必须是一个相当完美的球形。把小胶囊悬挂在一个小小的燃烧室内。胶囊和燃烧室所处的空间必须是真空。然后用192束高能激光一起射入燃烧室。如下图所示——

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这些激光都是高能脉冲，持续时间非常短。你必须把它们协调好，确保一起入射。激光在燃烧室里的高能量只能维持几十亿分之一秒。而就在这么短的时间内，燃烧室里的氘氚会被加热到接近太阳中心那么高的温度，发生聚变反应，从而产生能量。

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2022122217/1794973853919823880/122217.png)

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这一步最大的难点是激光器。任何一个供电系统都不可能在一瞬间给你那么高的能量，所以激光器必须能先“充电”，然后在一瞬间脉冲放电。这个激光器技术是上世纪80年代提出来的，还得了2018年的诺贝尔物理学奖。

你可能想到这种激光器可以用于武器。没错，其实研究这种武器级的激光器是LLNL更重要的任务，核聚变是捎带手。其实中国也在搞，中国的对标单位是位于四川绵阳的中国工程物理研究院，也就是“九院”，对标的强激光项目叫「神光」。

所谓点火，在老百姓眼中是聚变输出能量大于输入能量，也就是Q>1；但是在物理学家眼中，点火是说激光能量打进来之后，让氘氚聚变发生，然后聚变自身产生的能量又能驱动新的聚变发生，以至于撤掉激光后聚变仍然能继续进行一会儿。这就好像你小时候放烟花一样，激光的作用只是点燃引信，烟花可以靠自身的火药持续燃烧。

而NIF这次所谓的点火，不但持续时间极短、输出能量很低，而且迟到了十多年才实现 [3]。

早在2010年，NIF的科学家就说他们即将实现点火。我记得当时《时代周刊》都给了封面报道，结果他们失败了。他们几次三番说即将实现都没实现，直到今年才算实现。

这里的关键难题在于，科学家并不知道到底输入激光的能量得达到多少，才能点火 [4]。理论上你输入的激光能量越大，发生的聚变反应就越多，但并不是按比例的关系。

输入1M焦耳的激光能量也能产生一点聚变反应，但是距离点火很远。科学家一度认为得输入5M焦耳，可是手里并没有那么强的激光器。

两年前，输入能量达到了2M焦耳，产生了1.8M焦耳的聚变输出，已经非常接近点火了。

这一次实验中输入了2.05M焦耳，结果产生了3.15M焦耳的聚变输出，终于实现了Q=1.54的点火。

那么我们就很期待，如果输入达到5M焦耳，输出得有多大啊？这就得等美国国会给NIF追加经费了……

新闻没专门告诉你的一个事实是这里所谓的「净能量增益」，是用聚变能量跟进入燃烧室的激光的能量比——而你应该知道的是，为了产生这么多激光能量，激光器实际消耗的能量可是远远大于2.05M焦耳。

这是因为激光器的能量转换效率非常低。为了让这192台激光器在燃烧室里产生2.05M焦耳的激光能量，实验室给激光器提供的电力，是322M焦耳 [5]。

你要这么算，从322M焦耳的输入到3.15M焦耳的输出，实验实际上的Q值还不到1%。

而这3.15M焦耳的聚变输出还不够一个40瓦电冰箱一天的电力。

所以要想让这个聚变装置真的发电，实验还必须得做到两件事。第一就是你得把聚变输出的能量再提高至少100倍，才能配得上真正投入到激光器的那些能量。

第二，也是更难的一点，是需要让这个激光打胶囊事件每天发生一万次。现在NIF的水平是一天只能打这么一次。因为打一次就已经让激光器都变得非常热，得花好几个小时才能冷却下来——这就已经很不容易了，以前连一天一次都做不到。

强度提高100倍，然后频率从一天一次提高到一天一万次，这中间的困难是我们无法估量的。就算做到这些，距离真正发电还差得很远。

就算你有了足够多的聚变输出能量，可是你怎么把这个能量转化成电力呢？据我所知，科学家从来都没有严肃地研究过这个问题。因为距离那一天太远了。

一般的设想是收集聚变产生的中子，让中子撞在水里，把水烧开，用开水去发电。这意味着燃烧室所处的那个小房间外面得包一层水，然后怎么让热水循环发电，现在还没有任何头绪。

现在我们假设前面说的所有科学和技术难题都解决了，第一个能持续发电的核聚变发电厂终于建成了，你前面还有最后一个里程碑：盈利。

能不能发电是一回事，发出来的电够不够便宜是另一回事。

激光器值多少钱，发电厂初期的建设费用咱们都暂且不论。单说那个包裹着氘氚颗粒的小胶囊。我记得几年前听说这个小胶囊，每一个的价格是50万美元。你一天用得起一万个吗？

当然一旦量产，价格肯定会剧烈下降——但不会降到特别低。这是因为胶囊中作为核反应燃料的氚 [6]。氚是一种放射性物质，半衰期只有12.43年，不能长期保存，只能用让氘和金属锂发生核反应的办法制备。2020年氚的价格，是每盎司——也就是28克——100万美元。NIF要发电，估计每天需要用两磅氚，也就是32盎司，价值3200万美元。

这么贵的发电厂，请问有啥用。你要知道核聚变发出来的电和烧煤发出来的电是一样的电……

就算你认准了清洁能源，现在核聚变也遇到了一个极为强大的对手，那就是太阳能发电。这几年光伏产业以超越摩尔定律的速度突飞猛进，可以说正在改天换地。在某些地区，光伏发电的价格已经低于煤电。下面这张图是《金融时报》对光伏电力的最新预测——

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到2027年，全球太阳能总发电量将超过煤电，光伏将成为人类第一大电力来源。

当然，太阳能不能在晚上发电。但是在这个局面下，我们恐怕并不是很迫切地需要核聚变。

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惯性约束这么难，那你说另外一条路——磁约束聚变——会不会容易一些呢？我认为是的。

2021年的一个好消息是欧洲的一个托卡马克装置，JET，实现了5秒钟的连续放电，产生了59M焦耳的能量 [7]。这个输出能量是NIF的十几倍，尽管它的输出输入比只有0.33，没有达到点火。

但这已经很不错了，你要知道JET是一个非常小的装置，它的设计目的只是为了科研，本来就没指望点火。

物理学家真正的希望寄托在正在建设的托卡马克ITER上。ITER的体积是JET的十倍，预期输出输入能达到Q>10，而且可以长时间连续放电，是真正的希望所在。

还有别的托卡马克，比如韩国的KSTAR和中国的EAST，也就是传说中的「人造太阳」「东方超环」，也都达到了比较长时间的长脉冲，只是这两个装置还没有上核反应。

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总而言之，目前局面是科学上的难题尚未完全解决，技术上的困难才刚刚开始，商业上的可盈利性根本就是无稽之谈。

另外，现在有很多家私人公司，包括国内也有若干家私人公司，在拉风险投资搞核聚变。它们发明了五花八门的聚变装置，不同于我上面说的磁约束和惯性约束。

也许其中某个思路能取得科学上的成功。但我要说的是，我前面说的所有困难，不管你用什么方法，都是无法避免的。

所以我完全不相信现在投资核聚变私人研究能有利可图。当然，如果你是热心赞助科学事业，我代表爱烧钱的科学家感谢你。

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注释

[1] 那你说既然质子和中子都没多没少，为啥质量变了？这是因为原子核的「结合能」变了。原子核的质量并不等于其中质子+中子的质量，它还有一个结合能。核聚变并不会让任何质子和中子消失！

[2] 精英日课第三季，中国的受控核聚变

[3] https://www.theatlantic.com/technology/archive/2022/12/department-of-energy-nuclear-fusion-breakthrough-nif-livermore/672439/

[4] https://bigthink.com/starts-with-a-bang/nuclear-fusion-breakeven/

[5] https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7

[6] https://bigthink.com/the-future/fusion-power-nif-hype-lose-energy/

[7] https://www.nature.com/articles/d41586-022-00391-1

### 💡 精华要点
- 1.要想真正实现核聚变发电，需要五个里程碑。第一是让核聚变发生，第二是实现点火，第三是形成稳定输出，第四是发电，第五是赚钱。
- 2.核聚变发电目前的局面是：科学上的难题尚未完全解决，技术上的困难才刚刚开始，商业上的可盈利性根本就是无稽之谈。
