人造太阳指的是什么？具体对人类有什么益处？ 第1页

“人造太阳”是对可控核聚变发电装置的美好愿望，通常用在夸大的宣传里，动辄许诺“取之不尽、用之不竭的能源”，还可能出现“不产生裂变堆那么多核废料”这样对核电行业毫无好处的歪斜宣传。

现实中，目前的可控核聚变装置无法输出比输入更多的能量，规模也小，连“人造红矮星”都不算，还在改进过程中。ITER 预期在 2035 年左右达到Q值=10，展示“可控核聚变是有可能商用的”，那之后还要花上一些年达到Q值>30，才能期待在补贴支持下电价不会太高。

• Q值是聚变能产出和输入能量的比值，Q=1时收支平衡，但现实中无法将装置产生的所有能量收集起来去加热装置里的聚变等离子体，一般而言Q>=5才能基本实现反应自持。
• 目前，世界上还没有一台可控核聚变实验装置实际达到Q=1。
• 对现有可控核聚变装置有兴趣的话，可以先看本文后面的简单介绍，再搜索专业文献来看。

要问“对人类有什么益处”，除了本身作为能源，在研究可控核聚变技术的过程中改进的超导技术、强磁体技术、第一壁抗辐照或自修复材料、冷却系统、工业机器人之类可以找到各自的军用·民用功能，培养的人才也可以期待在这之外的成就。

“可控核聚变发电作为能源”并不像一些人以为的那么迫切。随着电池技术和非电池储能技术的发展，风能、太阳能的可用性在上升而成本在下降。可控核聚变发电即使可行，在技术高度发达、成本相当低之前也不一定有和平利用的必要性。2020年，太阳能电站的发电成本在欧洲多国和中国一些地方已经低于燃煤电站，太阳能和风能的成本和效率在十年内还各有百分之十以上的进步空间。

相对的，可控核聚变发电装置一旦实现小型化、高效率、高可靠性，军事利用的前景非常广阔，你可以期待小型化热核弹、超长续航的技术兵器、喷射超高温等离子体的武器之类粉墨登场。这当然会给人类比现在更强大的破坏力，可以用来迎击飞向地球的小行星、消灭地球上的有害动物什么的——不过，目前人类社会对动物的态度事实上非常克制，不一定会用武器正经地干掉蝗虫群什么的。

核聚变发电、核动力太空载具可以在完全没有可控核聚变技术的情况下使用。热核爆炸可以发电，即核爆锅炉。核爆炸可以推动太空载具。人类将来不用核聚变发电也没关系——如果你所期待的未来不是有限长度的，核聚变只是很短时间内的手段。

核爆炸的和平利用：和平利用核爆炸的几方面实例 这里面有苏联70年代设计的核爆锅炉。

现有可控核聚变装置的简单情况：

打算拿来发电的可控核聚变是要长时间操纵不定形的高能等离子体，让装置容忍这种物质的不稳定性并对粒子和能量进行约束，在其物理性质上就很难。目前打算拿来发电的设计可以按约束的方式分成磁约束、惯性约束、混合约束。

磁约束方面，现存的托卡马克装置·球状托卡马克装置为了不损毁自身，聚变等离子体的密度过低，无法长时间维持反应，输出的电力低于输入（输出的总能量大于输入是可以的，但热能和中子的能量并不能完全转换成电力），当不了能源，不过已经很接近了。现有托卡马克装置的最高实际效率是1997年欧洲联合环形加速器（JET）的输出16兆瓦/总输入24兆瓦（聚变能增益系数Q=0.67），持续不到一秒。日本JT-60U用实验数据推算氘-氚聚变的纸面Q=1.25，可以对外输出30兆瓦电力，但其没有使用放射性物质氚的能力，并未进行该点火试验——而根据JET的经验，实际Q会是纸面值的一半左右。

由于托卡马克前途未卜，仿星器又建了一些研究反应堆，其优点是等离子体持续时间可以超过一小时，但结构复杂、设计困难、高速等离子粒子损失大的问题现在解决不了。其余方式的进度更慢。

如果不考虑成本，托卡马克·球状托卡马克乐观估计在当前技术下就能让输出电力等于输入，但那还不算能源：

• 要求装置能够产生足够的热让自己的核反应继续下去，按照目前的实际情况，对磁约束来说需要Q达到5~8，对惯性约束来说要求Q达到50~100。
• 商用的话，考虑到成本，对磁约束来说需要Q达到22以上，你再考虑到装置本身的土建成本、使用寿命和拆解处理费，可能需要Q达到30以上。

理想的托卡马克装置对温度、真空度、超导、内壁辐射吸收的要求经常超过现代材料科学的能力范围，这方面还需要研究。但一般考虑，让它发出电来并不需要全面满足条件。当然，你要追求长时间安全运转的话，就连支撑超导磁体的材料都是个问题：在工作状态下的受力条件、启动和关机的瞬间的应力变化、出现异常时的受力、辐射造成的材料劣化都可能导致意外。

惯性约束方面，激光聚变、粒子束聚变、重离子聚变更适合不可控核爆，在现代激光器能量效率约1%的情况下，无法期待低燃料量时的输出。以美国国家点火装置的直径2~3mm的燃料球来讲，商业发电的话每天要打爆100万个，每个的价值超过50美分就不如烧煤，而且激光器以1%的效率打个几百发就需要更换零件，实用设计至少要以10%~30%的效率打一亿发。该装置在2013年进行的点火试验达到了Q=0.0077，可真高哦。这在当前技术水平下无法处理。其余方式的进度更慢。不过，这方面的成果已经在核武器设计、民用发动机设计等领域用上了。这方面的难点不是核聚变，而是现在的激光器的性能。

如果你宽容一点，核爆锅炉也视为惯性约束，那技术上其实已经可以做了，阻拦它的是国际局势。

混合约束方面，冲击波磁化靶标核聚变目前还缺乏实验，但有一个100MW级反应堆的设计，用液态金属传递冲击波来避免反应堆自毁。其余方式的进度更慢。2019年11月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室进行了一项等离子体线性实验，也是混合约束，目前没发现拿来当核弹以外的好处。

在即将完成的托卡马克装置里，国际热核聚变实验反应堆（ITER）目前已经动工，预计于2025年开始等离子体实验，2035年开始进行全氘-氚聚变实验。它的设计目的是输出500MW/输入50MW，Q=10，长脉冲持续400-600秒，等离子体超过10亿摄氏度。ITER不会接入任何发电设备，人类将用它验证氚增殖并完善中子屏蔽/热转换技术（氘-氚聚变反应的大部分能量是以快中子的形式释放，并不容易利用）。在新冠病毒影响下，ITER的建成时间可能推迟。