可控核聚变的实现难点是什么？第1页

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george-gabriel 网友的相关建议:

苏联物理学家、托卡马克之父Lev Artsimovich说过一句至理名言：

“当整个社会都需要的时候，聚变就会实现 [1]。”

时间回到了1956年4月18日，由两艘驱逐舰护航的一艘苏联巡洋舰停靠在了朴茨茅斯。船上载着的，是苏联部长会议主席布尔加宁，以及，苏共中央委员会第一书记赫鲁晓夫。那是苏联领导人第一次访问西方。那一年，苏联和英国的领导人讨论了欧洲安全、中东局势、扩大贸易，以及，共同利用核能的可能性。

两年后，日内瓦。联合国召开了第二次和平利用原子能国际会议。正是在那里，Artsimovich、Teller（氢弹之父）、Spitzer（仿星器之父）等被冷战分隔的双方第一次得以面对面交流。也正是在那一年，世界第一座托卡马克T-1开始运行。自此一切都被改变了。

六十年过去了，回想一下这其中的跌宕坎坷，也是令人感叹不已。

扯远了。

回到题目本身，如果要说最大的难点，也是所有可控核聚变研究共同的难点，我想只有一个，那就是：如何实现真正的输出大于输入。其实这一点也应当是这项研究最基本的工程目标，只有在达到这个目标之后，我们一切的讨论才有了意义。

那，究竟是什么原因导致了我们至今无法实现这个目标呢？

上世纪五十年代提出的Lawson判据（Lawson criterion）其实从某种角度上已经告诉了我们答案。尽管这个公式本身在推导的时候使用了一些假设，但其所揭示的内涵已经很明显了：密度，温度，约束时间 [2]。

这又意味着什么呢？

拿最主流的方案来说吧。一言以蔽之：磁场的强弱决定了密度和温度的上限，装置的大小则在某种程度上决定了约束时间的上限。（具体计算就不写了，可以参考上一篇回答。）其实如果你回顾一下人类六十年来建造的托卡马克装置，这件事就一目了然了。

因此，这条路最终能走多远，取决于两件事：第一，我们能稳定产生多强的磁场？（超导磁体依然存在着临界电流与临界磁场，目前临界电流最大的超导材料是铌钛合金（Nb-Ti），JT-60SA和W7-X都使用了这种材料，而ITER将使用更加昂贵的Nb3Sn [4]。）第二，我们的装置能造得有多大？（ITER装置本身重23000吨，超过三个埃菲尔铁塔，将来的DEMO还会更大 [5]。）

而最终达到目标时所付出的成本我们是否能够承受，这亦值得深思。

好了，下面来谈谈其它事情吧。

等离子体

几乎所有对于可控核聚变的研究都绕不开等离子体。原因很简单，只要温度足够高，电子就会从原子中脱离出来，物质的第四态就会显现。关于等离子体的问题太多太多了，但其实你会发现，不稳定性也好，湍流也好，制约等离子体种种难以捉摸行为的基本方程我们都是知道的（Vlasov和Maxwell方程 [6]），而我们所能做的依然只是近似-计算或者近似-模拟。就像制约三体运动的牛顿定律、制约流体运动的Navier-Stokes方程、制约大量分子运动的Boltzmann方程一样，我们没有办法准确求解这些偏微分方程。或许是这个时代的数学工具限制了我们，或许是更深层次的物理法则没有被揭示，又或许这就是自然对人类预测能力所设的一个天花板。

原料

核聚变之所以能够被称为无限能源，是因为海水中的氘对人类来说，几乎是“无限的”。但问题是，只使用氘，太难了。这里涉及到的问题有两点，反应截面和韧致辐射。在一亿度这个量级的温度下，氘-氘的反应截面比氘-氚低了近两个数量级。而当温度升到十亿度量级时，韧致辐射会大大增强，想要实现输出大于输入会变得异常艰难 [7]。

如果使用氚，问题也是显然的。氚具有放射性，自然界中几乎天然不存在，人类的生产能力亦极其有限，而氚增殖所使用的锂，其资源也是有限的 [8]。

产物

我们把核聚变的产物分为两类：带电的，以及，不带电的。

带电的α粒子会被约束住，将能量沉积在等离子体中，实现加热，这是我们希望看到的。（如果将来反应堆能够实现自持也是基于这一点。）但α粒子又是一种杂质，需要被去除，否则会降低聚变反应率 [9]。

不带电的中子不会被约束住，它们会撞击在周围的材料上（不管是什么），然后产生巨大的破坏。一方面，我们需要这些中子的能量来最终进行发电。另一方面，我们又想尽可能地屏蔽它们，以减少它们造成的损害。

效率

这其实是一个更加普遍的问题。从输入角度来讲，我们加热等离子体所用的射频波也好，中性束也好，激光也好，它们本身的功率都是要小于甚至远小于产生它们所消耗的电功率的。（ITER的输入功率是50MW，这是注入等离子体中的功率，但产生其所消耗的电功率要大得多，另外维持装置运行还要消耗近100MW的电功率。）从输出角度来讲，中子的能量转化为可被利用的热能的效率是有限的，而热力发电本身的效率我也无需多言。（顺便提一句，ITER预期的聚变功率是500MW。） [10]

时代的技术，物理的法则，限制了我们。

成本

核聚变会如何影响人类的能源结构？至少在现有的技术下，在还有其他选择的情况下，很难。考虑到建造、维护的巨大成本，以及最终的输出功率，它的单位电价应该不会如很多人预想的那样“接近免费”。

核聚变最主要的优势在于原料的丰富，当其他能源的原料逐渐耗尽时，这一优势就会显现出来。这一点倒也印证了Artsimovich的那句话，或许真的只有当全人类都需要的时候，聚变的能源才会变成现实吧。

希望

恒星依靠天然的引力实现了库伦势垒的跨越，也实现了近乎完美的约束。而我们却不得不依靠外加的能量以及强大的磁场，以期在地球上并不完美地复现这一过程。

人类对恒星巨大能源的追求是值得尊重的，但这其中所遇到的前所未有的困难也是合乎常理的。

如果我们看到了另一种可能性呢？

我一直相信，那近乎无限的能量是真实存在的，它被自然锁在了那扇门后面。只是除了引力这把钥匙之外，我们需要找到另一把钥匙。而那把钥匙，自然也已经给了我们答案。

希望是美好的，也许是人间至善，而美好的事物永不消逝。

[1] http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430807

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion

[3] Ikeda, Kaname. "ITER on the road to fusion energy." Nuclear Fusion 50.1 (2009): 014002.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_magnet

[5] https://www.iter.org/factsfigures

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Vlasov_equation

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Tritium

[9] https://www.euro-fusion.org/glossary/glossary-term/helium-ash/

[10] https://thebulletin.org/2017/04/fusion-reactors-not-what-theyre-cracked-up-to-be/

physixfan 网友的相关建议:

谢邀！宏观上来看，难点就是同时实现高温高密度和长约束时间（

Lawson criterion

），这一点

@夏晓昊

的答案中已经写的很好了，我在这里就写一些更具体的内容以作为补充吧。我的答案主要针对托卡马克方案，即用磁场约束等离子体以实现聚变的方案。

第一方面的难点是物理理论上的。虽然等离子体的运动无非就是麦克斯韦方程组就可以完全描述的，连量子力学都用不到，但是因为包含的粒子数目多，就会遇到本质的困难，此所谓 “More is different”。正如在流体力学里，我们虽然知道基本方程就是Navier-Stokes方程，但是其产生的湍流现象却是物理上几百年来都攻不下来的大山。等离子体同样会产生等离子体湍流，因为有外磁场的存在甚至是比流体湍流更复杂一些。于是在物理上，我们就没有办法找到第一性原理出发找到一个简洁的模型去很好地预测等离子体行为。我们现在所能做的，很多时候就是像流体湍流的研究那样，构建一些更加偏唯像一点的模型，同时发展数值模拟的技术。

第二方面的难点是物理实验上的。即使没有第一性原理出发的理论，很多时候唯像模型也可以非常实用，比如说现在流体湍流的模型就可以在工程上很实用。但是等离子体实验的数据可并不像流体那么好获得。从理论上我们可以知道，托卡马克里的高温高密度等离子体会有非常多的不稳定性，如果伸进去一根探针进等离子体中心，那立刻就会激发起不稳定性于是整个等离子体就会分崩离析。基于这个原因，实验观测的手段就会很受限制。这也就是为什么我们不说“等离子体测量”一词，而是使用“等离子体诊断”，因为这的确就跟诊断病人的病情很像。

基于以上两点物理上的原因，可以说我们没能很好地理解托卡马克里等离子体的运动，因此对装置的设计就没有那么给力，只能慢慢发展慢慢改进...实际的历史进程就是，实验上发现一种不稳定性，然后理论在之后的几年里争取理解它，然后想办法改进设计去抑制这个不稳定性。但是抑制了之后，约束改进了，又会在实验上发现更小时空尺度上的不稳定性，于是再理论去理解，再改进设计，循环往复...我们的确是在不断进步的，只是需要时间。

第三方面的难点是工程上的。从理论上我们现在知道，如果想要达到聚变的点火条件，那么在工程上我们需要在足够大的体积内产生足够强的磁场（约为10T）。而现在人类能实现的最大稳定磁场大概也就是10T那样一个量级了（我一直在想如果人类能做到比现在大十倍的磁场的话，可能我们早就用上聚变能了...）。产生这么大的磁场的电磁铁，一定是需要巨大的电流的，而巨大的电流就会发热，发热了之后就会把材料自己烧掉...所以现在正在建的最大的托卡马克工程ITER就是采用的超导线圈的方式，这的确是解决了发热问题，但是线圈想要维持超导，就需要极低温，通液氦浸泡。所以你可以想想这样一副场景么：在一个房间里，内部温度是一亿摄氏度的超高温，墙壁温度是几开尔文的超低温...工程上的实现难度可想而知。

最后一方面的难点...是经济上的...做那么大的超导电磁铁，得花多少钱哪。。。于是现在最大的托卡马克工程ITER就根本不是一个国家在做了，而是7个国家一起出钱合作的，目前老是超预算（一超就是上billion美元的），于是不断延期。。。美国这边，因为投钱去了ITER，不光已经没有预算在本土建新的托卡马克了，就连老的也开始关门大吉了一些...我们这苦命的专业啊...

不过我对聚变的看法还是积极的。虽然现在美国没钱了，但是似乎中国还是既有钱又有激情来做聚变的。小道消息称中国在近期将要自己做一个本来计划在ITER之后建的DEMO装置，中国人民勤劳能干，很有可能比ITER先完成。按照经验规律，如果按照他们说的指标建起来的话，实现点火应该是没问题的。我们就这样一点一点制造更大的装置，发现新的问题，理解新的物理现象，再改进装置的设计，聚变能的到来并不是天方夜谭！

//来自

受控核聚变的难点在哪里？

lei-yi-an-52 网友的相关建议:

胡希伟老师有一个聚变难度守恒定理：聚变很难，不管采用什么样的聚变方案，躲过了一个问题，就会出来另一个问题，总的难度是守恒的。

看了一下，已经有些专业人士指出很多问题了，我尽量列一下各种问题和难度吧。抛砖引玉，希望大家一起讨论。

氘氚聚变（最容易的，主流研究）：

1、氚供应问题：

氚在自然界基本不存在，需要生产，而且放射性比较强，半衰期只有十几年。氚的生产很困难。如果实现了聚变发电，必须解决氚的本地生产问题：

2、氚生产：

所有的氚自持生产方案中，都是在堆生产，用聚变产生的中子（增殖后）与锂6反应生产氚。高能中子轰击，增殖，和产氚反应都是强放射性的，由此加剧了反应堆的放射性问题：

3、放射性问题：

本来，与裂变相比，聚变一直号称自己的放射性低。如果只考虑聚变反应，只有氚的放射性和中子辐照问题，在理想条件下，高能氦原子核的问题不大。虽然中子辐照也很严重，但是如果选择不吸收中子或者吸收后原子核仍然稳定的元素做反应堆的壁，问题也不大。但如果需要生产氚，放射性立刻大好几个量级，因为中子要先增殖，增殖过程会产生放射性元素，生产出来的氚本身也是放射性的。这样反应堆的放射性就会非常大。聚变堆内部结构远比裂变堆复杂，裂变堆可以在水下操作以屏蔽放射性，聚变堆不行。强放射性会导致部件损害，反应堆无法进人，无法进入精密电子设备，从而无法维护。

4、材料问题：

@小侯飞氘讲得比较全了。

5、不稳定性控制问题（托克马克）：

磁场约束下的等离子体是不稳定的，有各种不稳定性。现在理论研究的主要努力就是控制这些不稳定性。理论上虽然有办法控制，但是实际上经常要求有线圈或者反应装置迅速抑制还没有构成危害的不稳定性。在聚变还没有开始之前，不是问题，但是当聚变中子出现之后，线圈就没有地方放了。

6、破裂问题（托克马克）：

等离子体破裂的危害非常大。装置越大，磁场越强，破坏越大。对于ITER这样规模的装置，破裂的危害是无法承受的。有些破裂是可以预测的，但也有不可预测的。一旦开始聚变，不可预测的破裂会大幅增加。

7、不稳定性控制问题（激光聚变）：

对于激光聚变，由于高压强内爆辐射流体的复杂性和不稳定性，以前觉得很有把握的计算结果最后发现不对，导致美国国家点火计划（NIF）科学目标失败。惯性约束聚变对内爆的对称性要求非常高，到目前为止，没有好的办法控制初始内爆对称性到需要的精度。

8、等离子体生存时间（磁惯性聚变）

对于磁惯性约束聚变（magneto-inertia fusion），需要在保持等离子体完整的条件下将磁场压缩到1000特斯拉的范围，这一过程中，等离子体是独立的，自生自灭，无法控制。虽然有一些思路（General Fusion，Plasma Jet Fusion，FRXL），但各有各的问题，包括压缩太慢，杂质混入，等等。

9、光学器件损坏（激光聚变）

激光聚变的激光功率很高，需要光学器件控制激光的聚焦和瞄准，这些器件昂贵，且非常容易损坏。

10、超导防护（磁约束）

磁约束必须使用超导，否则聚变无法持续。但是超导工作在液氦温度，并且距聚变等离子体很近。超导体工作时，也不能承受中子轰击和活化。超导体昂贵，运行中失超后果严重。因此，超导体的位置和防护都很难。

11、线圈（磁约束)

与不稳定性控制问题相关。如果聚变发生，没有防护的线圈会受到大通量的高能中子轰击，电阻会很快上升，从而失去功能。由于上面说的放射性问题，更换任何部件都极端困难。

12、包层问题（都有）

聚变能量需要包层来吸收（包括产氚），这样包层就很复杂，而且很厚。ITER的包层厚度为0.8米到1米左右。对于高能中子，这一厚度是不够的。包层位于等离子体外缘，结构复杂，有放射性，面积很大，厚度也大，总重量就很大。对聚变堆结构，成本，运行都带来了巨大的挑战。包层必须存在，全部覆盖，为其它功能性部件的安装，布置带来了极大的困难。

13、第一壁（磁约束）

参考材料问题。如果第一壁采用石墨之类的轻元素，对于发电堆，一年可以溅射掉几米厚的第一壁材料。如果采用钨之类的重元素，原子团簇或者微粒溅射到等离子中会引起等离子体破裂。

14、仿星器的问题

仿星器没有环向电流，不稳定性问题比托克马克好得多。但等离子体全靠外部磁场约束，对外部磁场的要求比托克马克高，因此对超导体强度的要求就更高。由于磁场结构很复杂，仿星器的设计和制造都很困难。随着计算能力和CAD技术的发展，设计和制造问题已经得到解决。要实现聚变，仿星器的尺寸必须扩大，由于结构复杂，扩大规模的成本比托克马克更高。对仿星器的研究也还不够。除了磁流体不稳定性问题好一点外，上面关于磁约束聚变的问题都存在。

15、MagLIF

磁惯性聚变方案中，MagLIF的方案内爆套筒小，驱动功率大，容易很快达到需要的压缩比，并且不稳定性的影响不严重。还没有实现点火，预热激光能量，种子磁场，驱动电流等参数都需要提高。计划到2020年左右实现超过0.1的能量增益。

MagLIF作为聚变能源的问题是，内爆驱动电流（几千万安培）是由实体电缆导入的，聚变之后必然损坏电流导入部件，因此重复率不会太高，修复部件的成本也必须降到很低。

16、静电聚变

维持等离子在一亿度左右很难，但是一亿度只对应大约1万伏电压对一个单位电荷的加速，所以可以直接把离子加速到几万电子伏特，让它们碰撞，发生聚变。这实际上是加速器聚变的原理。如果把这一概念做成一个静电笼子，也叫静电聚变。由于电荷库伦散射截面比聚变截面大很多，也就是说碰撞几千次才可能发生一次聚变，而碰撞一次就损失很多能量，因此这一概念原则上是能量亏损的。聚变产生的能量不足以弥补加速离子消耗的能量。这一方案可以方便地产生比较大通量的高能中子源，因此它是一个中子源装置。由于能量亏损，所以不可能作为能源。也一直有努力，希望改善约束，提高聚变能量产出，但已进入磁约束范畴（Polywell）。

17、氢硼聚变

氢硼聚变无中子放出，避开了放射性和材料的问题（仍然有中子和伽马射线产生，所以放射性防护还是需要的，但是相比而言，已经可以忽略了）。但是聚变温度需要50亿度，而根据现有的加热方案（实际上只有一种，就是中性束注入），即使按照优化后的理论计算，折合的温度也只有5亿度。由于硼的原子序数为5，在相同温度条件下，对应的轫致辐射功率是氢的125倍，所以电子温度必然很低，聚变只能在非热平衡条件下发生，也就掉进了类似加速器聚变方案的圈套，再加上氢硼聚变的能量输出不到氘氚聚变的一半，聚变三重积要求是氘氚的500倍，能量增益就更难实现了。除Tri-alpha外，氢硼聚变还有几种方案。

18、重复频率问题（惯性，磁惯性聚变）

惯性和磁惯性聚变都是脉冲式的，需要高频率重复聚变才能发电。激光聚变对光路，器件的精度要求非常高，即使没有破坏，连续激光泵浦和倍频，对准，聚焦，都会改变光路性质，无法持续操作。破坏也是免不了的。磁惯性聚变破坏性更强，除了General Fusion，PJMIF等方案预先考虑了聚变损害，不需要修复，别的方案修复或重复成本都很高，远高于聚变产生的能量带来的收益。

19、General Fusion方案

优点：驱动方式很经济，气锤；考虑了聚变破坏，聚变后不需要修复；

问题：等离子枪射入的等离子体靶没有磁场约束，周围的铅壁产生感应电流会迅速消耗靶的能量；气锤激波压缩没有那么快，等离子体靶生存不了那么久；气锤有疲劳损伤问题；

不明确：液态铅，特别是活化之后的蒸汽压问题，可以直接破坏等离子体靶。

20、PJMIF（等离子射流磁惯性聚变）

优点：考虑了聚变破坏，远程操作，方案皮实（robust）。成本低。

问题：等离子靶的产生，激光无法凭空产生一个磁化的等离子体靶；作为压缩介质的氙等离子射流密度低，难以产生足够大的最终压强；氙等离子温度低，必然有较大比例的中性原子存在，中性原子不受磁场约束，进入中心靶会熄灭等离子靶（Thio认为等离子密度足够高，中性原子的自由程不够进入中心靶，我没有被说服）。

21、洛马公司的紧凑聚变方案

经过几年的研究，这一方案已经不紧凑了。以前声称的卡车大小已经变成了中型潜水艇大小。现在的方案和面临的挑战都和别的磁约束聚变方案类似了。

22、聚变裂变混合堆问题

原理：用裂变产生的高能中子轰击不容易裂变的重元素裂变，原则上可以使用裂变堆乏燃料和增殖元素如钍232和铀238。

基本问题有：结构复杂，结合了聚变和裂变的问题和困难，比单独两种方案的难度大幅提高；聚变还没有实现；裂变能量倍增包层功率衰减太快；裂变包层用料量太大；裂变包层燃耗低；裂变包层乏燃料放射性极强，成分复杂，超过纯裂变堆乏燃料，无法后处理；等等，另参考：

luo-xuan-zao-96 网友的相关建议:

是时候搬出这篇神文了：

《核弹从良记：艰难的聚变发电》

转载自公众号：老和山下的小学僧

微信号: gh_586564bb7b66

转载已获许可

关于聚变的新闻，记者同志经常拿一堆数字和术语亮瞎咱的狗眼，比如：中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST，成功实现电子温度超过5000万度、持续102秒的超高温长脉冲等离子体放电，EAST既定目标是1亿度1000秒。

本文来告诉你，怎么解读这些新闻。为了照顾小学没毕业的同学，允许我啰嗦一点。

人类的能量，归根结底来自太阳，石油煤炭天然气甚至食物（除了核能）。地球就是个大号的太阳能电池，充电四十亿年，就为了我们这几百年的挥霍。追根溯源，太阳的能量又从哪里来？容我显摆一下物理知识，特附一篇《黑洞修炼秘籍》，出门右拐，看完再回来。

当人类认识到，宇宙间的能量，无非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算个四级经销商，莫不如直接从粒子那搞批发，自个儿拧原子核！于是就出现了“可控核聚变”的概念。

先来段前奏，不然你都不明白为什么各流氓拧个原子核会拧到高潮。

柿子挑软的捏，质子越少越容易拧到一起，若是有100个质子，光是不让它分裂都很难。氢只有一个质子，肯定最容易拧。氢按中子数量分三种：氕氘氚，氕不带中子，习惯叫“氢”，而氘和氚带中子，比氕笨重，反应截面大，更容易拧。这好比，拧太轻的东西容易手滑，稍微重些有利于使劲。所以，聚变最喜欢拧氘氚（D-T）这俩哥们。

给不懂氘氚的初中同学补个课，高中同学请略过。日常生活只涉及化学反应，化学反应的本质仅仅只是外层电子在相互交易，不涉及原子核的变化（即元素不变），而外层电子的属性只看原子核里质子的脸色，也就是元素种类。中子是电中性，对外层电子没影响，只有涉及到原子核的分分合合，中子作为和质子同等重量的存在，自然就有了发言权。而这个层面的事情，目前人类科技里只有核武器、放射性材料和粒子对撞机。所以正常情况下，“质子数量相同，中子数量不同”的原子的化学性质是没有任何差异的，而生物体内都是化学反应，对生物体来说，它们毫无区别。

不过氢原子核只有一个质子，多了中子等于原子核重量成倍增加，这对外层电子略有影响，进而导致氢键强度增加了少许，这使得氘氚的化学反应速率会慢上一拍。因此，长期饮用重水，的确会影响健康，但偶尔喝一杯却是无妨，何况这也不是喝的。总体而言，和普通水没什么区别。

那么，这货从哪里搞？

普通水（由氕构成）中的重水（由氘构成）比例很低，首先利用氕氘重量的差异，采用多级蒸馏，初步得到较高浓度的重水。然后电解，轻水比重水更容易电解，电完之后，剩下的就是比较纯的重水了。整个过程仅消耗电力。重水市场价大约10000元/kg，1kg重水理论上可产生近一亿度电，可见，重水制备成本可忽略不计。氚用中子轰击制备，要繁琐些。氘在海中水的储量有40万亿吨，暂不算月球的氦-3（这玩意儿可以和氘一起聚变），不考虑1亿年后的事情，无论怎么算，都足够人类挥霍了。

墨迹半天，就想说明一个道理：聚变发电=超低成本的电力。

电真是个好东西，这个世界上还有什么事情是廉价的电解决不了的吗？如果有，那就用免费的电！

物质由原子组成，原子和原子连接的玩意儿叫“化学键”，化学键的断裂和重组，就是化学反应，和离婚结婚差不多。日常生活中的一切，都是这些“化学键”在作祟，不管是蓬勃朝气的生命诞生，还是遭人唾弃的白色污染，抑或叹为观止的科技结晶。

遗憾的是，化学键是个非常不靠谱的家伙，几乎没有什么化学键可以抗住一万度的高温。所以，只要把温度加热到几万度，就能让所有的化学键灰飞烟灭，把所有的原子打回到离子状态，再拾掇拾掇就成了最基础的元素，又可以再次被利用。

现阶段，没有足够的电这么玩，只能利用化学反应的能量重组化学键，有点像利用小三破坏婚姻，再勾引与他人结婚，显然这样效率很低。这就是化工行业所谓的“配方和工艺”。

如果电力足够，来看组公式：

元素=设备+电力；

设备=元素+设备+电力；

粮食=元素+设备+电力；

武器=元素+设备+电力；

材料=元素+设备+电力；

妹子=元素+设备+电力；

如果不考虑人力成本和物理空间，制造任何东西，仅仅只需消耗：电力。

刚刚说什么来着，用电不要钱？共产主义社会的既视感，有木有？脑容量有限，无法想象“零成本的电”对国际政治的影响，对伦理道德的影响，对社会形态的影响，对科学技术的影响……

难不成真能跑步进入共产主义啦？可控核聚变啥时能实现？有个笑话：“永远还需50年”，因为这话说了20年都没改过。

学习原理：原子核带正电，2个原子核越靠近排斥力越大，但你又没法捏着原子核把它们拧成一团，所以通常就是让它们高速相撞，只要速度足够快，就可以抵消这个排斥力，拧成一个核。这原理够简单吧！

温度是什么？温度的本质就是粒子的运动速度，100度的空气和10度的空气，只是分子速度不同而已。为了让原子核拥有足够的速度相撞，就需要足够的温度，所以拧原子核都很烫！这原理也不难吧？

如果只有2个原子核，就是速度再快也撞不到一起，因此单位体积内的原子核越多越好。实在密度不足的，就多维持一段时间，时间长了，总有不长眼的原子核会撞到一起。原子核密度体现在宏观参数上就是压强，密度越大压强就越大。这原理也能明白吧？

温度、密度以及维持的时间，这三者必须满足特定的条件，这叫“劳逊判据”。满足劳逊判据，聚变产生的能量就能维持聚变自身拧原子核消耗的能量，聚变才会持续下去，这个俗称聚变点火。

EAST设定的1亿度1000秒的目标，就是聚变点火，过了这个目标，聚变就会持续反应而不再需要外界输入能量。

了解了这些基本原理，拍着脑袋想想也知道怎么设计聚变装置！很简单嘛，把一堆氘氚气体放到一起，狠狠加热即可。嗯，没错。那么问题来了，用什么东西把1亿度的氘氚放在一起？

有两个套路。第一，用N束激光从四面八方围着一个点打，瞬间将原子核挤到一起，俗称“激光打靶”，学名“惯性约束”。这样把氘氚拧到一起，没法持续加料，所以大伙认为这样玩只是为了研究理论，顺便看看能不能替代氢弹的点火装置。惯性约束在本文只是配角，赶紧走个过场。

任何科技领域，不说美帝第一，只说美帝领先，保管错不了！美国国家点火装置（NIF）在2013年首次实现了“输出能量”大于“输入能量”，严谨点说，是大于“激光输入能量”，但仍小于整个系统消耗的能量。

激光从这些孔里射出

2mm大的目标球，内含氘氚

牛牛、高卢鸡、脚盆也玩激光打靶，但只能给美帝提鞋。土共作为资深的“美粉”，本着“美帝有、我也要”的原则，启动了“神光”计划，虽然寒碜了点，某些参数也不输美帝。

送走跑龙套的“惯性约束”，仔仔细细说说第二个套路：磁约束，即，用磁场把原子核拧到一起。

高温下，原子核与电子之间的连结被打破，电子离开原子核，简称“电离”。剩下的那团原子核就叫“等离子体”，带正电，只有带电才能被磁场约束。所以搞核聚变的单位经常叫什么等离子体研究所。

事情到目前为止，看起来还是不错的。可惜，科研和撩妹差不多，前面都谈好好的（理论容易），想要牵手就不容易了（实践困难）。在撩妹界，聚变属于顶级高冷妹子，算起来，磁约束也是老司机了，在聚变撩妹半个世纪，无奈聚变妹子连余光都没瞄一下。

有一条宇宙真理：男生永远不知道自己怎么惹妹子生气了。你以为把1亿度的氘氚放一起就能撩到妹子了吗？太天真了！！！等离子体形态跟气体似的，除了传统的流体力学，还有非常复杂的电磁相互作用。在物理学众多妹子中，流体力学是最没人撩的，套路太深了啊！聚变就是“流体力学”+“电磁作用”+“极端条件”，其行为可以用诡异来形容，本来处的好好的，就一点点扰动，瞬间就翻脸。明明什么条件都满足了，但她就是不聚变。

再一条宇宙真理：撩不到妹子，都是男生的错。你别给那“一点点扰动”，不就没事了吗？你以为我想啊！氘氚聚变产物是氦，氦就属于“扰动”，而且还是浓度不断增加的氦，这对于整个系统的扰动非常严重。还有，加热装置也会影响稳定性，陀螺不用鞭子抽，能自个儿转吗？这功夫相当于，既要鞭子抽，又不能影响陀螺的轨迹。

聚变的磁场分布及运行过程都非常复杂，尽管超级计算机很大程度上可以模拟聚变反应，但最终还是要建造实物才能验证模型是否合理，这货可以轻松入选“十大败家排行榜”。

退一万步讲，即便摸透了妹子的心思，限量版的驴包送的起吗？“聚变堆第一壁”，这是专业术语，就是直接面对聚变的内壁。这可是1亿度啊，还有大量的中子辐射，相当于给太阳公公加一件外套！在这种极端条件下，原子被轰击很容易产生位移，材料的强度取决于原子的排列规则，谁也受不了这么虐待，材料性能很快就会恶化。

再来些技术细节。强大磁场需要强大电流，所以只能用超导材料。超导材料的工作环境至少也得是零下200度的液氮环境，甚至是更冷的液氦。这俩哥们，一个零下200度，一个零上1亿度，你们说说，要同时伺候这俩货，能容易吗？

可控核聚变，当之无愧的人类科技的顶峰！

抱怨归抱怨，无论撩妹有多难，为了繁衍后代，刀山火海也得上，于是各流氓开展了轰轰烈烈的撩妹行动，前仆后继。

咱先定个衡量指标，把“输出能量/输入能量”的比值叫做“Q值”，Q大于1就意味着“输出大于输入”。算上成本，烧锅炉的汽轮机“热电效率”在40%-70%，胡乱再算一些损耗，暂且认为Q=2.5是成本价。商业应用都比较黑，一般认为要Q>50才值得推广。划分一下几个关键点：

Q>0，实现聚变反应，原理性突破标志。

Q>1.0，输出能量大于输入能量，“盈亏平衡”突破标志。

Q>2.5，输出能量转化为电能后仍大于输入能量，“实用化”突破标志。

Q>50，输出能量转化为电能后可实现盈利，“商业化”突破标志。

到了这里，哥们儿，恭喜，你撩成功啦！

聚变这摊子事儿实在太多，讲的都快迷路了，看一眼地图：

按图索骥，从最经典、也最被看好的“托卡马克”说起。

这是俄语，可见当年大毛对这个领域的贡献，从0到1的先驱者（来来来，点上三炷香，大家都拜一拜大毛）。

托卡马克的磁约束特征：纵向和极向线圈非常分明，纵向磁场完全由外部的线圈提供，极向磁场由等离子体自身的电流提供。等离子体是有电阻的，所以感应电流利用“欧姆效应”加热，温度上升后，等离子体电阻下降，后期还要辅助加热手段，比如射频波共振加热、有中性束注入加热等等。

这就是托卡马克的大概原理：利用磁场把氘氚放一起，利用感应电流和其他手段狠狠加热。下面就挨个点名，数一数各流氓的撩妹功底。

大毛：最早想出托卡马克的时候很是神气，折腾了十几年，1970年终于有能量输出了，人类第一次刷到了Q值，虽然只有十亿分之一，但至少证明这套路是可以撩到妹的。以大毛败家的德性，马上搞了一堆，跟他们坦克取一个名，T字头：T-3，T-7，T-15。别人还在玩铜线的时候，大毛的T-7就玩起了超导，才玩了5年就玩腻了，又建了更大的超导T-15。结果大毛不小心玩挂了，T-15就没运行。

新来的二毛砸锅卖铁只求不饿肚子，直到今天都没缓过劲来。这几年也就偶尔刷个新闻显示一下存在感。

欧萌：欧洲的历史连结非常多，经常组团撩妹，所以老规矩，要撩妹、一起上。1983年在大阴帝国建了一个“欧洲联合环JET”，资本家底蕴确实不凡，JET是最大的已建成聚变堆，随后和美日轮流刷Q值，一时风光无限。1997年牛逼的时候Q值达到了0.65，功率创下16.1兆瓦的世界记录，然后就没有然后了，地主家没余粮了。

JET撑到现在很不容易，按计划2018年关闭。这帮人就跑土共这边，希望土共接手JET一起撩妹。然而，土共并没有一起撩妹的取向，顶多去沾点便宜而已（参照大毛的T-7），所以JET结局堪忧。

脚盆：无论从人口国土，还是科技经济看，脚盆都是和英法德平起平坐，历史上曾有望晋升大流氓的帝国，如今却一直被美帝拴着，沦为二流打手，颇不得志。不过，不得不承认，脚盆还是很有志气的，一边和人组团，一边单独撩起了妹，而且表现相当彪悍！

为了防止大家被脚盆吓坏，先打个补丁。聚变最理想的是氘-氚（D-T）反应，所以都以这个为准。用氘-氘或氘-氦得到的数据要折算，比如D-D聚变的10亿度相当于D-T聚变的1亿度。脚盆都是用D-D反应，虽然能换算成D-T的数据，但不等同于技术一样。D-D反应的结构简化很多，成本也不高。

1985年日本原子能研究所“JT-60”托卡马克试验装置正式开始运行，1995年Q值达到1.05，持续0.97秒。换了超导线圈升级成JT-60U后，1996年温度烧到了5.2亿度，Q值刷到了1.25。还没结束，最后直接刷到了1.3以上。

这是人类第一次突破盈亏点，同年的美帝只能达到0.3，但因为是D-D反应，价值就大打折扣。脚盆刷Q值很给力，美帝直接看傻了眼，不经意又把手里的项圈紧了紧。

高卢鸡：作为最不合格的五大流氓，二战时分分钟被汉斯猫秒杀，不过重工业还算拿得出手，别人刷Q值，高卢鸡追求稳定。超导托卡马克Tore-Supra是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，等离子体温度2000万度，放电时间120秒，粒子密度19个0。这对应用来说很有意义，就算你Q值刷到100，但功率小、不可持续，还不如Q值小却能大功率稳定运行的。

汉斯猫：功底不用说了，被揍趴之后，好东西都被美帝和大毛瓜分，如今依然是欧萌的火车头。汉斯的ASDEX－U、TEXTOR托卡马克没有特别耀眼的数据，但成绩也不差，和土共眉来眼去很长时间，里面好些核心部件是土共这定做的，诊断技术也有合作，不过好像前几年停机了，现在重心往仿星器发展。

南棒：美帝给的图纸，弄了个打酱油的KSTAR，全超导，吹的厉害。还有面条的FT等一些小酱油瓶，全球累计造了不下百个聚变堆，发达国家都有一些，按下不表。

配角就这么些，下面美帝要登场了，大家坐端正啦~

作为人类之光，自然是照耀到角角落落，托卡马克也不在话下。1982年搞了个TFTR，1993年D-T反应烧到了3亿度以上。后来陆续弄了一堆的托卡马克，最先进是普林斯顿等离子物理实验室的NSTX-U，前阵子升级了4年，结果把线圈升坏了，现在还在维修中。麻省理工的Alcator C-Mod，2016年关门前最后一天，回光返照，撩出了新高度，把压强记录刷到了2.05个大气压，压强高意味着粒子密度高，也是很重要的指标。这一下就占据了世界媒体的头条。

看着记者同志胡乱解读这条新闻，实在受不了，还得我来得瑟吧！增加磁场强度就可以提高压强，单纯这么做意义不大，要发生聚变反应，还要考虑磁场分布等等一系列因素。为了追求压强所设计的磁场，或许（我说的是或许）根本就不适用于聚变反应，还不如拿个高压锅去刷压强记录，这可能也是美帝关闭Alcator C-Mod的根本原因。

如今美帝只剩下快40岁的DIII-D在运行，这厮经常和土共的EAST一起玩，DIII-D的加热技术和诊断分析工具还是很牛的，土共就把EAST的模型放到DIII-D上去玩了一把，用以分析EAST模型的优缺点。来而不往非礼也，土共为DIII-D研发的3D线圈于2016年11月正式运行。（小弟们斗得你死我活，大流氓之间猫腻如此之多，哎，寒心了。）

估计短时间内是很难听到美帝在磁约束方面的消息了，注意，只是在磁约束领域，美帝还有激光呢，人家玩具多，不怕没得玩。

美方答谢中方研发3D线圈的匾牌

压轴的终于来了。

土共的家底咱都清楚，苦哈哈出身，在那个年代，别说撩聚变了，就是彩电都搞不定。土共就很知趣跟在屁股后面，有样学样，自个瞎玩。70年代硬着头皮上了第一台托卡马克CT-6，不好玩；1984年的环流一号（HL-1），也拿不出手；后来的HT-6、HT-6B、HL1M、HL-2，连人家尾灯都看不到。

皇天不负有心人，大毛突然挂了！土共赶紧去奔丧，说完节哀，就直接把T-7捎走了。这可是超导托卡马克！土共的心情和范进中举相差无几了，本着人道主义关怀，顺便把几个下岗专家也捎了回来。

捞回来之后做了不少升级，改名HT-7（合肥超环）。这二手玩具玩了20年，直到EAST的顺利运行。虽然没刷什么记录，最好成绩是放电63.95秒，仅次于法国的Tore-Supra，但HT-7培养了大量的人才，在中国聚变历史上绝对是浓墨重彩的一笔。

大毛的T-7

土共升级后的HT-7

EAST是全世界第一个全超导的托卡马克（别人都是部分超导），顺便给土共的超导线圈做个广告。土共的磁铁是最牛的，包括常规磁铁、稀土磁铁以及超导磁铁，听过最神奇的是，磁场分布可以做到和设计分毫不差。以至于美帝的反物质探测器计划都拉着土共，就是因为他们探测器磁场得指望土共做。

EAST全超导，一看这出身，大家就不敢小瞧了。以往“世界聚变能大会”都是欧萌JET、美帝DIII-D和脚盆JT-60U得瑟，土共坐后排流口水。EAST出来后，就让土共第一个得瑟！

2006年EAST开始全面刷记录，目前应该是唯一的“稳态高参数”运行的托卡马克。土共难得有几张不土的照片。

第一壁材料

不得不佩服土共“引进、吸收、再消化”的能力，山寨也好创新也罢，事实就是，土共通过大毛的T-7，一下子就翻身农奴把歌唱了！

托卡马克还有一位不得不提的周天子：ITER。带上板凳瓜子矿泉水，咱来叙一段佳话~

自从氢弹妹子被五大流氓撩到之后，藏入深闺，天天传授些杀人灭国的阴谋诡计。后来，大伙又看上了可控聚变，于是暗地里逼着氢弹从良，氢弹妹子常年游走于勾心斗角的生死线，可谓，一入江湖深似海，从良堪比登天难。

于是，大家逐渐从偷偷摸摸撩妹，变成了相互交流心得。1985年，大毛一拍桌子，得了，这妹子太难撩，不如大家组团吧！第一波撩妹团诞生：美苏欧日，取名“ITER”（国际热核聚变实验堆）。

那个年代，土共就算去提鞋，人家都不想带。不过，美帝和大毛要是能平静地一起撩妹，那太阳要从四面八方出来了！果不其然，美帝退团了！任性归任性，大家都知道，这可控聚变是非撩不可的。做了个天文数字的大概预算后，大毛说，“美帝，你别闹了，要不让土共也一起来吧，反正缺个出钱的冤大头。”

美帝心想：大毛打得好算盘，土共还不是听你的，既帮你出钱，又增加你话语权，呵呵，谁家没几个小弟呢。美帝一琢磨，回话道，“土共家里也不容易，不如让南棒也一起来吧，亚洲四小龙，钱多人傻。”

土共一看有机会，连忙抢话道，“两位大哥别为难，小弟我一勒裤腰带就有钱！”一番博弈之后，2003年土共和美帝于同一天加入ITER，不到半年南棒也进来了。

第一个议题：选址。

脚盆在聚变的表现一直很彪悍，主动请缨，只要ITER落户日本，愿承担30%的费用！客观的说，脚盆各方面条件确实不错，无奈高卢鸡天生自带幸运光环，说道，“我家气候好，放我家吧！”

五大流氓中，高卢鸡是唯一一个与其他四大流氓关系都不错的大流氓，中法的猫腻就不说了，至于法俄关系，要不是乌克兰战争，法俄“西北风级两栖攻击舰”购买合同早就执行完成了，你说他俩能差吗？

所以，用神经末梢都能想的到，立马就分成两派：美、日、韩主张建在日本，中、欧、俄支持建在法国。土共对脚盆的怨念不是一般的深，这种关乎人类文明的大事，拼了老命也不能给脚盆！土共拍着钱包给高卢鸡撑腰，“阿鸡，你尽管闹，哥有的是钱！”欧萌自然也是帮亲不帮理，最后，高卢鸡壮着胆说，“无论结果咋样，哥年底反正就要开建！”

美帝在骆驼地区还要欧萌帮忙，于是就妥协了。脚盆一看选址无望，就开始撒泼打滚。欧萌觉着有点对不住，就答应把脚盆的JT-60升级为全超导的JT-60SA，欧萌承担一半费用。当然啦，链子还是要栓紧的，JT-60SA的结构只能做D-D聚变，不能做D-T聚变。ITER的出钱上，一半费用欧萌承担，其他人各10%，单独给脚盆提供高达20%的工作岗位。从这个结果看，脚盆应该是受了委屈的，就是不知道其中土共下了多少黑手。

2005年6月各方共同签署了《ITER场址联合宣言》，可美帝还是觉着有点心理不平衡，末了，补了一句，“要不，让阿三也来一起玩吧，闲暇之余还能耍个杂技”，事已至此，大家也不在意美帝多个帮手。于是，半年后，阿三拎着钱袋子兴冲冲加入了ITER。

ITER原计划2011年左右投入运行，2030年搞定可控聚变。为了给ITER腾钱，欧萌把欧洲环JET关了，美帝也关关停停，就剩一个DIII-D。

谁知，人算不如天算，ITER计划10年10年的往后推，如今的说法是2036年投入运行。这节奏，谁都怕啊，于是各流氓私底下又开始不安分了。

更让人傻眼的是，当年只配提鞋的土共，摇身一变成霸主了，不但钱多，手艺还好。如今土共承担了ITER的包层壁、超导线圈等12个任务，基本涵盖核心关键部件；又给高卢鸡整了个WEST，和这边的ESAT对应，想想也是醉了，2年竣工，高卢鸡当场给好评！又给汉斯的ASDEX的装了ICRF加热天线，美帝DIII-D超导线圈的活也接了……反正忙的不亦乐乎！

德国ICRF加热天线验收现场

虽然诸侯割据已是事实，但周天子的面子还是要给的，所以土共无论取得什么成绩，都是打着为ITER探路的旗号。各位留心了，官方新闻通常都有这么几句“某某成果验证了ITER的某设计是可行的，某某进展为ITER提供了重要参考”，呵呵，“都是为了人类，不用谢啦！”当然，土共既然出了钱，还赖在ITER里，肯定是有想法的，“呵呵，都是为了人类，你们有啥好东西也拿出来分享啦！”

言归正传，土共在磁约束方面，资金充沛、人才充实、技术储备也足够，很快又会刷数据的，在托卡马克的领先优势会愈加明显，算是熬出头了。

2016年初EAST把记录刷到了5000万度102秒，听说现在最大的麻烦在内壁上，抗不住那种辐射啊！哎，材料是土共最大的软肋，没有之一。

容我喝口水，这故事太长！各位回头看一眼地图，别迷路了。下面简单说说仿星器。

无论EAST怎么刷记录，依然无法改变托卡马克的缺点：系统太复杂。托卡马克的最大特征是：外部线圈和等离子体电流产生的磁场耦合，一起约束等离子体。这样的设计非常微妙，真实情况中，磁场不可能均匀分布，随着强度提高，不均匀磁场处的正负电荷就会分离，正负一分开，就会形成电场，电场就会加入这个微妙系统的角逐，对带电气流粒子产生影响，等离子体就跟着变，进而感应电流也跟着变，这样磁场又得进一步变化，所以一旦出现扰动，瞬间就会放大。辅助加热装置和聚变产物，又是不可避免的干扰，这对系统抗干扰要求非常高。

其实一开始大家就觉得托卡马克很棘手，所以大毛想出托卡马克的时候，“仿星器”的设计也差不多时间提出来。仿星器的思路是：所有的磁场都是外部线圈提供，不用等离子体电流瞎参合，所以只要保持线圈的稳定，磁场就能稳定，这样当然就提高了系统的抗干扰能力。

可是聚变等离子体走的就不是一条寻常路，为了让磁场满足这条“不寻常的路”，线圈就设计得非常诡异了。

蓝色是线圈，黄色是等离子体，绿色线是磁感线。想法是很好的，不过规则线圈产生的磁场容易计算，而这种诡异的线圈产生的磁场可不是靠嘴说的，早期计算机的模拟能力差，设计的线圈都不靠谱，加工难度也很大。专门建造这么一套不可调整的磁感线，不如买彩票，所以仿星器一开始就不热门。

不过但凡想撩妹的，欧萌、美帝、大毛、脚盆都玩过仿星器，后来大毛把托卡马克玩出Q值以后，仿星器失宠就更严重了，美帝甚至还把仿星器直接改成了托卡马克，目前还在运行的仿星器大约有六七家，都是酱油级别。土共最早也玩过仿星器，后来拿到大毛的T-7之后，直接打入冷宫。

再后来，时来运转，随着托卡马克陷入瓶颈，超级计算机的性能跟火箭似的上踹，当年仿星器的大玩家汉斯猫又重操旧业了。利用超级计算机设计的世界上最大的仿星器Wandelstein7-X顺利运行，当然刷数据还没这么快，不过仿星器的运行本身就是个不错的记录。

在下业余，自然不敢多嘴评价。谨从土共的态度看，貌似仿星器的前景还是很黯淡，土共仅仅瞥了一眼就继续埋头玩自己的新玩具。土共和汉斯在托卡马克有合作，但仿星器似乎没有官方合作，对此不是很有兴趣的样子（反观惯性约束，土共启动了专门的神光计划），考虑到土共如今在磁约束领域的造诣，其意见还是不容小觑的。

下一个：反场箍缩。

江湖上有少林武当，也有唐门暗器，打起来不见得谁赢谁输。磁约束也是如此，托卡马克相当于少林武当，代表正统，但土共练了也有一定时日了，总是不见神功大成。于是就琢磨，要么再收一拨徒弟，练练唐门暗器。两眼一瞄，卧槽，美帝脚盆早就开练了。

2015年，“科大一环”诞生，学名“反场箍缩磁约束聚变实验装置”，简称KTX。记不住名字没关系，原理也不看了，看特点：单纯靠等离子体自身电流，用欧姆加热就能达到预期温度，不需要辅助加热。

这样系统结构更为简单，个头小了很多，小型化利于部署，重要性不多说。而且没有了辅助加热对稳定性的影响，这等于开车不用拐弯，使劲踩油门就成。

目前来看这个套路也好不到哪里去，美帝练了快20年的反场箍缩，约束时间还停留在毫秒级（托卡马克已经几百秒了）。苦练神功20年，连“拳打北方幼儿园，脚踢南方敬老院”都做不到，大家又是一片哀嚎之声。

能找到一条新路，总还是好的。土共是新时代有志气年，有钱又努力，聚变虐他千百遍，他待聚变如初恋。让我们静候佳音，看反场箍缩能不能给聚变领域带来一线新的曙光！

估计很多同学看到后面忘了前面，最后总结一下如何解读聚变新闻：

首先看温度、密度（或压强）、持续时间，这三者要一起看，至少要看温度和时间两项，单纯一项意义不大；

其次看功率和Q值，若这两个参数很低，说明聚变反应很少，或者无法稳定运行；

再看聚变原料，D-T最好，D-D次之，若用氦（离子化较容易）可以理解为调试设备，通常不发生聚变反应；

最后还得注意系统结构、加热方式是否过于复杂等问题，比如有些加热是短脉冲加热，就是一下一下加热，对稳定性影响可想而知。EAST现在主要玩长脉冲加热下的稳态运行，这节奏大概是冲着“发电实验堆”去的！

不是我吹，看完本文，你可以秒杀99%以上的记者同志了，不信就搜索几篇聚变新闻报道，看看有几篇没错误？有几篇没误导性？

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前面北大的师兄（我还以为p大雾院都是学理论的呢……）说的很完整了，我以一个本科刚刚进入这个领域的角度说一些我知道的吧。

首先，可控核聚变的思路有数种，国际上认知度最高的应该是托卡马克…原理类似的还有仿星器等…然后反场箍缩的实用性似乎不高。惯性约束好像都有那么一点挂羊头卖狗肉的感觉…

前面的那位PhD师兄提到了托卡马克的湍流问题，其实湍流问题的硬碰硬应对方法就是超级计算机，以前用CPU算，现在用Tesla算，有限元的阶数往上加，网格细分往上加，时间步使劲减。。。然后就是各种超级计算机的诞生。其实高温等体计算和军事上流体计算很像的，就多了一些方程。

然后根据我一点点了解，惯性约束研究中军工成分大于民用。鄙校惯性约束相关的老师应该做的军用项目多一些。因为自从签订了禁止核武器实验条约，核武器实验就是个问题……一边是模拟，一边是靠激光来提供模拟核爆环境……

惯性约束的计算应该还要复杂一些，因为涉及到很多非线性的现象……非线性根本就是吃计算量的无底洞，请各位参照“三体问题”，上海交大的Pi计算机就是拿来算惯性约束的。

至于美国最新能源部的那个“点火”，似乎是为了赢取国会信任的一种危机公关……没有任何实质进展（课题组老师说的）。

其实不少关于聚变的国际会议开了，主题就是：没钱………这玩意是把钞票当什么烧的…不过对于这个投入其实各国政府还不是很有力…,east的造价远不如一架B2战略轰炸机……问题是“五十年”以后出成果的东西谁会愿意举国之力跳坑…何况现在页岩气啊什么新能源也不错啊。至于钱老那套使用核发动机完成恒星旅行的理论……早被扔到爪哇国去了（所以有时候你会发现冷战还不如继续下去）

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可控核聚变是指人们可以控制核聚变的开启和停止，以及随时可以对核聚变的反应速度进行控制。或者说，最简单地比喻就是，同样是可燃烧物质，火药可以用来做成炸弹，因为只是利用其高能量瞬间爆发的破坏性；同时也可以掺点杂质，做成蜂窝煤，使其可以当做一个煤炉子来缓慢释放能量，想让它烧就烧，想让它灭就灭，秘诀就在蜂窝煤炉子的炉门上。将这个蜂窝煤炉子的燃料换成核燃料，烧上开水，让开水变成蒸汽去推动轮机发电，就成了一个当今的核电站的基本原理雏形了。

相比可控核裂变来讲，可控核聚变的优势在于：

原料易得，核聚变的原料是重水，可以直接从海水中提炼，并且地球中储量极大。
核聚变的过程及其产物均不会对环境造成污染，亦不会造成核泄漏的危害。

那么将这个煤炉子里的燃料从核燃料换成核聚变的原料的最大的麻烦在哪里？

就在于其反应条件。核裂变需要的反应条件很弱，天然的铀矿在常温的自然条件下就可以发生衰变。但是相比于核裂变过程来讲，核聚变最麻烦的反应条件就是——需要瞬间上亿度的高温才能引起核聚变反应。而如此高的温度是用传统加热方法所无法达到的。人类研制氢弹时，对于该问题给出了以下解决方案：用核弹引爆氢弹！即通过核弹引爆得到达到核聚变反应的温度，从而引起核聚变使得氢弹爆炸。因此氢弹内部是有一个小型核弹的。

这样的话，研究可控核聚变的最关键问题现在已经很明显了，即：

怎么将核聚变的原料加热到这么高的温度？（怎么点燃炉子里面的燃料？）
将核聚变的原料加热到这么高的温度以后拿什么来装它？（怎么让燃料不把炉子烧穿了？）

首先来说第1个问题，关于如何加热的方法，从上世纪60年代开始，激光器的发明，为如何将物质加热到极高能量这一问题打开了一条门缝。最早是苏联专家开始考虑使用激光加热核聚变的原料，因为该方法能量大，而且无需与被加热物质接触，简单理解就是类似于拿阳光聚焦之后点燃木屑。但是单个激光器的能量太低，所以为了解决这样的问题，需要将多个激光器的能量聚焦于同一点。该问题看似简单，实则非常困难。因为必须保证在短暂的加热时间内，被加热物体的所有方向受热均匀，一致向球心坍缩（简单理解就是将被加热物质想象成一个足球，如果想要挤压足球内部的空气，最好的方法就是从四面八方一起用力，使其体积被压缩。如果仅仅从两个方向使劲，则足球会变形，足球内部的空气被挤压效果就会大打折扣）。这不仅需要每个激光器对准的方向控制地异常精确，也需要在这一极短的时间内每个激光器的能量大小需要严格控制。目前在该领域美国的研究进展是最快的，其「国家点火装置」目前正在实验将192个激光器聚焦于同一点。而我国的「神光三号」项目目前则正在试验将32个激光器聚焦，下一步目标是48个。

我国研发的神光3号惯性约束核聚变激光驱动装置

现在再来讨论第2个问题，我们拿什么来盛放这些物质。上亿度的物质足够烧毁任何与其相接触的东西，那么就算能将这些反应燃料点燃，又能拿什么来盛放它？「超导托卡马克」装置的研制就是为了实现能将上亿度的物质存放于其中的目的。具体的基本原理在高中物理课本就有提到，是通过将这些物质约束在一个密闭的环中使其高速旋转，来将其固定在一个密闭的空间中，从而实现了变相的盛放。如果感兴趣的话网上关于该装置的资料也有很多。

我国自主研发EAST超导托卡马克实验装置结构示意图（来源：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%88%E8%BF%9B%E8%B6%85%E5%AF%BC%E6%89%98%E5%8D%A1%E9%A9%AC%E5%85%8B%E5%AE%9E%E9%AA%8C%E8%A3%85%E7%BD%AE）

如果这两个问题能够得以解决，则其他问题大体可以迎刃而解——但是目前还有一个更加严重的问题，那就是这两种分别针对两个难点的方案，完全没有办法使其结合起来！由于神光三号属于惯性约束过程，需要聚变物质静止于指定的标靶位置等待加热，点燃，而超导托卡马克装置则属于磁约束过程，如果聚变物质静止下来，则无法在磁场中受到相应的洛伦兹力等作用从而被约束在一个指定的密闭空间当中。所以这两种方案只能在对一个问题的解决占有极大优势的情况下想办法去解决另一问题。

就目前来看，更加现实的研究方法是想办法在超导托卡马克系统当中，加热其中的等离子体，从而压缩核燃料的密度，提高其温度，从而引发核聚变。而在目前的实验条件下，能够一直维持这样高温高压状态的持续时间，甚至还不足以引起核聚变。

另一方面，神光三号对于如何防止燃料烧穿的研究则更显得没有诚意。目前的方案是在极短时间内将上百个激光头的能量全部打到一个极小的，装有核燃料的标靶上，制造一次极小的核聚变，从而在瞬间将该核聚变过程完成，并释放大量能量。等效于通过一次又一次，制造极小的微型氢弹爆炸，在爆炸威力不会对仪器产生太大影响的前提下，来释放出标靶内核燃料的能量。但即使是这样，目前来看还没有什么办法能在如此短的时间内充分吸收如此多的能量——当然了，由于目前连「将多颗激光器聚焦于同一点」这一看似更简单的问题都还未得到攻克，现在这个看似更大的问题也还没有看到相应的进展。

最后，包括《钢铁侠》在内，还是有科学家相信，对于核聚变来说极高的温度并非是必要的反应条件。

如果真的存在不需要上亿度的高温即可制造核聚变的过程的话，以上这些讨论就都不再有意义，那时核聚变发电就如同今日的核裂变发电一样简单，甚至要比当今的核电站更加普及，更加受欢迎。因此，关于「冷核聚变」，一批又一批的人向其发起挑战，试图证明其真实的存在。虽然到目前为止，还没有任何证据表明即使是在更低的温度下，核聚变过程依然可以发生，可面对巨大的利益诱惑，近几十年来还是不断在有人宣称自己的研究小组实现了「冷核聚变」——只是最终都被证明是骗局罢了。

P.S. 对于此问题本人属于半个门外汉，所以如果有问题请及时在评论中指出，我会做相应的订正。非常感谢远山兄（@刘远山）热心地帮我找到了一些资料，对我帮助很大，也希望大家能够提出更多的意见，让这个答案对更多的人能有所帮助。

jiehou1993 网友的相关建议:

翻了一圈，讲等离子体物理的比较多，但对核材料的重视程度普遍较低，我觉得有必要补chui充ge几bi点。

费米曾说过，核技术的成败取决于材料在反应堆中强辐射场下的行为。这句话是针对裂变堆的，但对聚变堆而言，核材料面临的问题反而更加严峻。在商业化的托卡马可聚变堆中，其第一壁材料，也就是直接面向等离子体的那层材料，需要满足以下多种严苛的要求：

————————————————————

1低氚滞留

最容易控制的聚变反应为氘氚反应：

但氚（T）的半衰期短，不存在天然氚。人工制造又几乎不可能，上亿美元一千克，还是有价无市。因此，聚变堆中的氚都需要循环利用：

用倍增过的中子和锂反应，再把氚回收，这样氚就成了类似于催化剂的存在。

但是，目前氚的消耗/增殖比很低，（记忆中为1:1.05，可能有误），因此必须严格控制耗散在各个环节的氚。其中又因第一壁直接和等离子体直接接触，算是氚滞留大户，需严格把控。否则氚越用越少，直接会导致等离子体熄灭停堆。

2抗中子辐照能力

每个氘氚聚变都会产生一个14MeV能量的中子，这些高能中子能轻易击碎第一壁材料中的金属键，产生大量缺陷，引起辐照肿胀、脆化、蠕变等问题，使得材料完全没法使用。

商业聚变堆役期中第一壁中子剂量预计超过100dpa（每个原子被撞离正常位置的平均次数），而裂变堆的剂量在1dpa量级，因此现有的裂变堆材料很难直接拿到聚变堆中使用。

3抗等离子体辐照

磁约束的边界并不是理想的，第一壁（特别是偏滤器装甲）依然要承受高通量的氘/氚/氦等离子体冲击。这些等离子体轰入材料内部后会在表面聚集，引起表面起泡、脱落（如下图）。一方面破坏材料的表面完整性，另一方面脱落下来的碎片进入等离子体也会造成等离子体破灭。

4低活化

中子轰击下，许多元素都会发生核反应，嬗变成其他核素。有些核素是不稳定的，会进一步衰变持续放出辐射。这样一来聚变反应无辐射污染产物的优势就没有了，因此用作第一壁的材料都是低活化材料，也就是嬗变后依然稳定不衰变的元素。

例如，一开始人们拟用金属钼作为第一壁材料，后来发现嬗变产物有辐射太难处理，现在都在逐步换成金属钨（嬗变产物是稳定的铼和锇）。

5耐高温&耐热冲击

商业聚变堆第一壁的工作的温度在1000℃以上，等离子体破灭的一瞬间更是能达到2000~3000℃，钢材、铜材这样的低熔点材料直接就pass掉了。另外，第一壁的任务是把热能导出去，熔点高但导热性不行的陶瓷材料基本上也被毙掉了。目前比较有希望的候选材料金属钨的熔点为3400℃。但钨还存在塑性较差的缺点，在离子体破灭的热冲击下，热应力往往会使得材料表面开裂。

————————————————————

以上几个条件满足一个就已经十分困难了，满足所有条件的材料目前还不存在。

所以说，革命尚未成功，同志们仍需努力啊。

xuanjing 网友的相关建议:

虽然我不是搞科研的，不过我猜想，最大困难应该是跨国沟通和协调的效率极其低下。

就我在合资公司跨国项目协调的经验，和外国人之间沟通的效率，大概要比中国人之间的相互沟通低效2-3倍——以上数字纯属于个人拍脑袋。

这还是成熟的行业，成熟的项目流程，成熟的技术，纯商业化的环境，就已经是如此了。如果换成大家都不知道技术方向、工程难度逆天、项目进度和投资都不确定的核聚变科技研发项目，再考虑到各国的不同利益，各条技术路线的斗争，我可以想象这种沟通的效率，大概已经不是“底下”两个字可以形容的。

所以说，中国人还是集中精力搞自己的吧，每个技术路线都搞一个项目组齐头并进，ITER这种注定失败的东西就不用太过上心了。说句真心话，跨国合作这种玩意儿听着高大上，其实就是一坨屎。

tommaxmim-18 网友的相关建议:

知乎不能把问题做分类归类，浪费了好多的时间。

核聚变除了如何发生，如何稳定可控，如何经济性这样的直接问题外，还有好多的衍生问题要解决或者说要考虑。

就像一个希尔伯特空间，总有纬度能罩住你。

hu-dou-47-66 网友的相关建议:

因为车田之意不在技！

他的目的可能不单用拳形容招式类型，我想更多的是在表达庐山本身的霸气。庐山升龙霸在圣斗士的所有必杀中，其实是很特别的。

一览圣斗士所有必杀技，名称里带有拳字的屈指可数。仅限原著的话就星矢和魔铃，暗黑天马，撒加，加隆和一辉的幻拳系。即便算上动画版的原创，也少得可怜。

闪电光速拳，钻石星尘拳之类的都是中文翻译的名字，原本可没有拳字表述。

这些必杀技中，庐山龙派那就更是稀有中的稀有。因为这是唯一用地名来命名，圣界独一无二的必杀系。

飞流直下三千尺，疑是银河落九天。壮丽的庐山大瀑布，或许只有这个霸字，方能体现出它的宏伟。

在这五个人当中，紫龙的修行环境算得上是非常优越的了。不用忍受死亡皇后岛，仙女岛和东西伯利亚那种鬼天气，也不用像星矢那样成天遭一群欧洲人翻白眼儿。

但紫龙获得圣衣的条件并不轻松，理论上说是最难也不为过。让瀑布逆流是何概念，尤其是如此宏伟的大瀑布。这可是打破宇宙定律的行为，忍一忍就过了是明显行不通的。

而在紫龙打出决定性的一击时，也并没有什么燃烧小宇宙之类的描写。反倒是通过童虎在旁边讲述着李白的诗咋咋地，貌似是在提醒紫龙面对的是何等雄伟之物。

以上的种种迹象，都无疑是在大大的高捧庐山瀑布之壮景，而霸字就是为庐山而生。所以庐山升龙霸不仅是必杀，也是对庐山本身的一种赞美，用拳就显得格局小了。

再换个角度看吧，其实从发音上也能知道霸与拳有着明显的优劣。日语发霸的音时，嘴大张成「阿」型。反之发拳的音时，最后嘴得闭上发出「嗯」的音。

要知道这搭配的是升龙这个词。可以对比下街霸中升龙拳的呐喊，升龙是上升音调，而最后的拳发音要闭嘴，音调有个下降趋势。

升龙霸就不一样了，霸的「阿」音可迎合勾拳轨迹持续上升，发声与姿势同步，哪一种更有气势，更有劲儿，就不言而喻了吧。所以升龙霸始终比流星拳吼得给有力。

任何武打片中都会听到，哈，哈，哈，不会有人在过招时发出嗯，嗯，嗯的音。

突然还想到个类似的，机战 OG 系的修罗众的福尔康（爱称）的最终必杀。

他的一般招数命名九成以上都是拳。但神化后的最终必杀，最后是上升多段乱击，并且打斗极为华丽。此时的招式名没有定义为拳，而用的是破，真覇…猛撃烈…破……

破的日语发音口型与霸一样是「阿」，并且前面的烈字有一个促音，呐喊时会给人一种蓄力攻击的感觉，听着就霸气。

为必杀取名其实挺考验品味的，要的不单是华丽。不但要朗朗上口，呐喊时最好能配合动作达到统一，才能效果最大化。

话说回来，车田如果不是为了想要彰显庐山的霸气，那升龙霸完全不用如此命名，这与其他招式不统一。平白无故就这招用地名，难道不觉得很特殊么。

触龙之逆鳞，受龙之天罚，诸如逆鳞升龙霸之类的名称，个人觉得也并不是不可行。非要用地名，只能是有其他目的。

至于是否如此，就只有车田自己才知道了。

一个小窍门：

用中文吼必杀千万别用普通话，得用那些不需翘舌，不分前后鼻音的方言最佳。比如川渝方言就是不错的选择，不信可以试试。

至于为什么，请参照以下回答：

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《核弹从良记：艰难的聚变发电》

因为车田之意不在技！

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