在常溫下，原子核彼此靠近的程度只能達到原子的外部的電子殼層，溫度達到數(shù)千攝氏度時，組成氣體的原子會產(chǎn)生分離。原本束縛在原子核外層的電子會擁有足夠的動能而擺脫原子核的吸力作自由運動。當(dāng)溫度達到數(shù)億攝氏度時，原子核之間會克服互相排斥的斥力而發(fā)生熱核聚變反應(yīng)。釋放大量的能量。

核聚變的應(yīng)用方式目前主要有2種

1.慣性約束核聚變:用激光照射含有微量氘氚元素的直徑數(shù)毫米小球，使球溫度升高至數(shù)億度，內(nèi)部的氣體變成高溫等離子態(tài)。在反沖作用力下元素被壓縮到極高密度后產(chǎn)生熱核聚變，如此連續(xù)照射可持續(xù)產(chǎn)生大量的聚變能。

2.磁約束核聚變:在一個封閉環(huán)境內(nèi)將氣體加熱到數(shù)億度讓原子核發(fā)生聚變反應(yīng)。沒有任何材料可制造成容器壁來容納數(shù)億度的高溫，那么制造一個強磁場讓超高溫等離子體約束在一定空間內(nèi)環(huán)繞磁場高速運轉(zhuǎn)，讓空間來存放溫度。這類設(shè)備基本分為托卡馬克裝置和仿星器兩個流派，托卡馬克裝置是目前最主流的發(fā)展方向。

美國 在慣性約束研究方向上，以美國國家點火計劃(NLF)裝置為代表，由位于加州的勞倫斯利福摩爾實驗室建造。這是目前世界上最大的激光器，在獲得了大量的數(shù)據(jù)后，在實驗物理階段，發(fā)現(xiàn)技術(shù)要求太苛刻難成。

需要先將外部激光增強一萬倍，之后將這束激光分成48束，再次增強后進一步分成192束激光，此時這些激光總能量增加到原來的3000億倍。在時間誤差不超過一萬億分之一秒的情況下，互不干擾的同時打在直徑3毫米的氘氚靶丸上，瞬間達到一億度高溫。在16年首次獲得了輸入能量小于輸出能量的成績后，證明了核聚變從不計成本的實驗向?qū)嵱没~出了最為重要的一步。

 

而麻省理工學(xué)院的阿爾卡特聚變實驗反應(yīng)堆，是托卡馬克裝置。代表著磁約束核聚變方向。2016年10月創(chuàng)造了等離子壓強超過2個大氣壓的世界記錄。

環(huán)顧他國，美國的核聚變科學(xué)成果已經(jīng)領(lǐng)先世界，而當(dāng)下的技術(shù)難題，如同噩夢般始終困擾著科學(xué)家，鑒于連續(xù)無比的巨大投入和本國等離子激化核聚變技術(shù)的飛速發(fā)展，國家點火裝置在近年逐漸轉(zhuǎn)型為本職工作:模擬核實驗和恒星演化。而阿爾卡特裝置于實驗完成后關(guān)機。在等待更先進的等離子點火獲得托卡馬克難以得到的瓶頸數(shù)據(jù)后，規(guī)劃將于2032年重啟，互相交叉驗證滾動推進科研進程。現(xiàn)有研發(fā)成果將和歐洲工業(yè)強國進行深度合作。特別是法國的國際熱核反應(yīng)堆和德國的仿星器項目。

2019年10月，在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，成功進行了等離子線性實驗(PLX)，這是集合了2種約束優(yōu)點為一體的更新一代點火技術(shù)。高溫不再采用激光來激發(fā)，而是使用等離子體噴槍噴射等離子流這一全新的等離子激發(fā)核聚變技術(shù)，初次的實驗由安裝就位的18支噴槍完成，計劃在2020年底一共36支噴槍將全力運行。

在此之前，人類對等離子體碰撞之后的行動狀態(tài)，沒有任何實驗數(shù)據(jù)，只有相互矛盾的理論推測模型。這一新技術(shù)的應(yīng)用，將極大的推進核聚變領(lǐng)域的科研進程。目前世界上只有美國掌握，處于一騎絕塵的地位。

這是依據(jù)著雄厚的國力和國家競爭力集合了全世界的人才為美國服務(wù)的成果，個中原因多重。

德國:現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石，相對論和量子力學(xué)的誕生之地。理論物理和實驗物理一直處于世界頂尖的行列。磁約束核聚變的研究從五十年代開始一直將仿星器作為主要的科研方向。在蘇聯(lián)發(fā)明托卡馬克裝置以來，各國紛紛選擇看似優(yōu)勢巨大的托氏，唯德國不為所動，并且在1996年德國贈送給中國核工業(yè)部西南研究所一臺性能優(yōu)良的托卡馬克裝置，這是一條道走到底啊。

德國科學(xué)家認為仿星器可能是未來最適合核聚變發(fā)電廠的類型，最大的優(yōu)勢在于能夠連續(xù)穩(wěn)定運行。

 

2018年10月，德國馬克思.普朗克研究所和美國能源部下屬的普林斯頓實驗室合作的W7-X仿星器取得了世界性突破，每立方米的高溫粒子密度已經(jīng)達到了建造發(fā)電站的條件。顧名思義，模仿恒星內(nèi)部的環(huán)境制造核聚變的產(chǎn)生條件。它的設(shè)計規(guī)避了托氏很多的技術(shù)難點。W7-X讓世人的目光重新聚焦到仿星器上。兩種裝置，誰能最后勝出，德國今天取得的成就讓70年代的觀點在今天看起來不是很確定了。

法國 國際熱核聚變反應(yīng)堆(ITER)計劃是全球規(guī)模最大，影響最深遠的項目，目前在法國建造。該計劃集成了全球之力，為實現(xiàn)人類未來能源的夢想而共同建造的世界最大核聚變反應(yīng)堆。7個成員國分別是歐盟，美國，俄羅斯，日本，韓國和中國，印度。我國于2003年正式加入。

 

法國的核工業(yè)處于世界領(lǐng)先地位，技術(shù)成熟，安全可靠性高，國內(nèi)有多家核商業(yè)公司。目前核能發(fā)電占到了全國總發(fā)電量的80%，我國大亞灣核電站和臺山核電站均源于法國技術(shù)。尤其是大亞灣工程赴法培訓(xùn)的110名工程師，成為了我國核工業(yè)起步的火種。

法國核應(yīng)用的成就和核廢料處理世界第一的能力，讓歐盟力推法國成為該計劃的主導(dǎo)者。法國對核能工程的管控和系統(tǒng)性的管理能力，也得到世界的公認。法國核工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也成為了世界各國發(fā)展核工業(yè)的參照。

ITER不僅匯集了國際聚變能研究的最新成果，而且綜合了當(dāng)今世界相關(guān)領(lǐng)域的頂尖技術(shù)。近些年，得益于ITER計劃，我國核聚變的水平提升極快。同時也獲得了世界的認可。中方在計劃中負責(zé)核心部件制造任務(wù):環(huán)向場線圈導(dǎo)體，校正場線圈導(dǎo)體等。以10%的投入，換取100%的知識產(chǎn)權(quán)。

日本 這是一個資源匱乏的國家，對新能源的獲取，有著偏執(zhí)般的執(zhí)著。在核聚變研究方面，一直處于世界領(lǐng)先的層次。1996年，就已經(jīng)達到了4億度的核心溫度。這一世界記錄至今保持。

 

更新一代的托卡馬克裝置，預(yù)計2020開始運轉(zhuǎn)。在托卡馬克裝置和仿星器研究方面，日本處于世界領(lǐng)先地位，保持著多項世界記錄。

在核聚變科研領(lǐng)域，日本是不遺余力的發(fā)展。在世界所有的核聚變專利中，日本占了54%以上，美國在關(guān)鍵和核心領(lǐng)域都申請了專利，做到了少而精。剩下的才是其他國家。這和各國對核聚變領(lǐng)域的投入與科研實力是相符的。特別是日本在外圍設(shè)備的研究，遠遠在其他國家之上。尤其是點火領(lǐng)域的研發(fā)成果，美國也沒有達到。

俄羅斯 托卡馬克裝置的發(fā)明地，1954年，世界第一臺托氏裝置在蘇聯(lián)落成。1968年，世界上第一次等離子體由蘇聯(lián)獲得。這點燃了世界對新能源的夢想，各國先后建造了上百座托氏裝置。

無論是理論還是實驗成果，蘇聯(lián)都是當(dāng)時的世界之巔。英雄暮日，今天的俄羅斯，已經(jīng)落后于世界很多了，沒有強悍的國力，無法支撐大國夢想。

中國 由于經(jīng)濟孱弱和國外的技術(shù)封鎖，我國對核聚變的研究雖然很早，但是起點很低。1955年，在歸國博士李正武的帶領(lǐng)下，我國開啟了可控核聚變的研究。在70年代看到蘇聯(lián)的成績后，我國確定了托卡馬克裝置為主要研究方向。期間陸續(xù)建造了環(huán)流一號，CT-6等數(shù)個裝置。在90年代之前，我們距離世界頂尖的距離，還是非常遠的。做科研，很燒錢。今天的“東方超環(huán)”一天液氦冷卻費在千萬元計。在這50年前，國力不可承受。

 

1990年東歐劇變，俄羅斯無力負擔(dān)科研費用，贈送給我國一套HT-7超導(dǎo)托卡馬克裝置。普通托卡馬克裝置受線圈電阻影響，磁場強度不能無限放大。使用超導(dǎo)體，就可以解決大電流和損耗的問題。可以獲得更高的溫度和磁場強度。這套設(shè)備，使我國對可控核聚變的認知，有了跨代的了解，縮短了30年的摸索實踐過程。偏巧，超導(dǎo)體研究是我國強項，想飛，就來了翅膀。

1996年德國贈送的給西南所的設(shè)備，讓我國系統(tǒng)的了解了世界主流的研發(fā)進程，第一次跟上了世界的腳步。這時候，我國的科研水平，距離世界第一梯隊，還是差距很遠。同年日本已經(jīng)獲得了核心溫度4億度的世界記錄。這一路的追趕和部分的反超，有機遇也有自身的優(yōu)勢所然。

得益于我們有一批理論物理的大師，激光慣性約束核聚變的創(chuàng)始人就是我國的王淦昌院士。我們的基礎(chǔ)理論物理水平并不落后世界，有著人才濟濟的梯隊儲備。我們豐富的稀土資源讓我國的激光和超導(dǎo)工藝一直與世界同步甚至領(lǐng)先，這是可控核聚變的重要技術(shù)。到了90年代后期，我國的國力開始飛速的攀升，爆兵的時代到來了。

同時，外部環(huán)境也給我們創(chuàng)造了追趕進入第一梯隊的機會。法國的國際熱核反應(yīng)堆原本計劃1985年開建，當(dāng)時憑我國實力，是無法加入的，一旦開工建設(shè)意味著永遠被排除在第一集團之外。各國出于國家利益的糾葛和之后的蘇聯(lián)解體美國退出讓改計劃擱置了20年，給了我們20年的追趕和發(fā)展時間。2005年ITER正式立項，此時的造價已經(jīng)從85年的50億美元攀升到150億美元到今天，樂觀估計500億美元。該項目是建設(shè)世界第一座核聚變實驗反應(yīng)堆。參與ITER計劃不僅使我國在核聚變研究進入了世界最前沿，也將推動我國核聚變工業(yè)整體的發(fā)展。

中國工程物理研究院，我國慣性約束核聚變的研發(fā)之地，剛剛落成的“神光”三號作為亞洲最大，世界第二的激光裝置，可同時激發(fā)48束激光，峰值功率達到60萬億瓦。標(biāo)志著我國繼美國國家點火計劃之后，第二個有能力開展多束激光約束的國家。同時研發(fā)的聚龍一號也是利用Z箍縮原理的高脈沖激光裝置也達到了世界先進水平。

 

2007年，世界首座全超導(dǎo)托卡馬克裝置“東方超環(huán)”EAST在合肥落成，它的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)與規(guī)劃中的ITER一樣，世界上唯一可以給國際熱核計劃提供實驗數(shù)據(jù)的裝置。2018年，中科院研究所在實驗中獲得了一億度的核心溫度，而時長100秒達到了世界之最。2019年底，新裝置落成，預(yù)計核心溫度將達到1.5億度。

2018年1月，國家發(fā)改委宣布聚變工程實驗堆在合肥開工建設(shè)，初期投資1000億人民幣。為下一代反應(yīng)堆累積數(shù)據(jù)，提供一系列科研數(shù)據(jù)和實驗環(huán)境。爭取在2050年建成商業(yè)反應(yīng)堆。對這一建址地，三個城市參與了爭奪，分別是合肥，上海，成都。最終合肥依靠中科院的優(yōu)勢勝出。

2020年，西南物理研究所的“環(huán)流器二號M”即將建成運行，預(yù)計核心溫度達到2億度。更強的超導(dǎo)托卡馬克裝置即將運行。

 

在剛加入ITER的時候，我國離世界水平還有20年的差距。十年之后，到2013年，得益于ITER知識產(chǎn)權(quán)共享，和世界水平齊頭并進。到今天，我們已經(jīng)在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了反超。比如第一壁的材料，由不銹鋼，銅合金與金屬鈹?shù)恼婵兆海锹氏全@得高熱負荷認證，獲得生產(chǎn)許可證的國家。

客觀來說，今天我國在世界核聚變領(lǐng)域的位置是在第一集團第三位，落后于美日，和德法并駕齊驅(qū)。在核聚變這一龐大的系統(tǒng)性工程里，極少部分實現(xiàn)了領(lǐng)先于世界，小部分處于各有所長的位置，大部分處于接近和相互借鑒的階段。核聚變研究是個極度燒錢的過程。在西方國家普遍經(jīng)濟不振，削減預(yù)算的當(dāng)下，我國在不斷加大投入，再過若干年，可能是另一種排位了。

其他 在金融發(fā)達的英美國家，私人核聚變研發(fā)公司極為活躍，民間資本大量涌入。英國的一些公司，在核聚變領(lǐng)域依托大學(xué)資源，獲得了很多獨特的成果擁有了專利。很多商業(yè)核聚變公司樂觀的預(yù)計，30年左右，可以進行商業(yè)化發(fā)電。韓國也對新能源表現(xiàn)了極強烈的渴求。最近韓國在超導(dǎo)托卡馬克裝置中也獲得了一億度的核心溫度。各個工業(yè)國家，都有能源焦慮癥。生怕第二天醒來沒石油買了。

可控核聚變，目前來說，還有很多的技術(shù)難題。但是只有這一條路了。在石油時代之后，必須有一個主流能源要代替它，而且必須要更加澎湃，更加強大，如此才能推動人類文明向更高發(fā)展。如同煤炭代替了木材，石油代替了煤炭，文明發(fā)展的命運。

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