作者：佰思科学 ｜沈东旭 邱亚明
我们都知道可控核聚变很重要，如果能迈过这个坎就是人类文明进步的一大步。同时大家也都明白，可控核聚变实现起来很难。就好像谭咏麟永远25岁一样，关于可控核聚变有个永远50年的梗--不管到了什么时候，你都可以说，可控核聚变还有50年就能实现了。
核聚变发电原理图
不过最近，2020年9月29日，美国麻省理工学院MIT冒出来一个消息，MIT将和一个叫做Commonwealth Fusion System的私人机构，从2021年开始建设一个核聚变反应堆，预计到2025年建成，用于验证技术，最终在2035年左右实现商业性可控核聚变发电。
MIT校园
不是说好五十年之后吗？怎么突然变成15年了？幸福来得太突然，让大家有些措手不及。兴奋之余，MIT到底靠不靠谱啊？
先讲讲可控核聚变的基础知识，再看看MIT的说法是不是靠谱。
1、 可控核聚变核聚变大家都了解是怎么回事，比如太阳上就发生着核聚变，氢弹爆炸也属于核聚变。核聚变简单来说就是原子核融合的时候，比如氢原子融合成氦原子，会释放出能量。而我们所说的可控核聚变，是希望核聚变在人类的控制下按照期望的速度发生，从而将释放出的能量为人类所利用，比如用来发电。
人类1952年爆炸第一枚氢弹
实现核聚变从原理上来说不难，只要把原子核凑在一起，有足够的温度和密度，聚变就会发生。1957年，英国科学家John D. Lawson提出了著名的劳森判据，作为核聚变能否发生的条件，后来人们把劳森判据表达成三重积的形式：简单来说，温度、密度和约束时间三者的乘积大于一个阈值的时候，就达到了核聚变的条件。氘氚聚变是最容易实现的核聚变，因为它的阈值最低，为3x1021 keV s/m3。
氘氚聚变是最容易实现的核聚变
氘和氚都是氢的同位素，氘由一个质子和一个中子组成，原子量为2，写成2H；氚比氘多一个中子，原子量为3，写成3H。氘和氚融合的时候，会形成一个氦原子4He并释放出一个中子和能量。
从工程的角度来说，需要大约1亿度的温度，和每立方米2~3x1020以上的等离子密度，再把这些等离子长时间约束在一个空间内，慢慢进行核聚变。因此可控核聚变的核心问题就是：如何把这么高温度的离子高密度且长时间地聚集在一起。
通常有两个办法，一种叫惯性约束，使用激光轰击微型小球，压缩里面的氘氚1：1混合等离子体，就是所谓的激光点火。这种方法从发电角度来看，以当前技术水平不太实用，不细说了。对发电来说比较有希望的方法叫磁约束，就是通过磁场把带电的离子束缚在一个空间区域内，不与外界直接接触，这样反应堆容器外壁的温度也就是1000度的样子，在人类材料所能承受的范围内。
线圈
只要学过中学物理就知道，给线圈通上电流，线圈就会产生磁场，这样的磁场就可以用来约束离子体。这就是磁约束的基本原理，人们把这样的核聚变装置叫托卡马克。
通电线圈中的磁场
因此，托克马克本质上来说就是一个常做成环形的大线圈，里面约束着高温、高密度的等离子体。
托克马克的结构，D形的腔室就是约束等离子体的地方
由于磁约束需要的磁场很强，就需要大电流。如果线圈存在电阻的话，大电流会带来很高的能量消耗。幸好人们在1986年发现了高温超导现象，可以使用便宜的液氮做冷却剂，把导体的电阻降到零，因此可以用高温超导体来做线圈。
用高温超导体制作的磁约束线圈
2、 ITER与EAST当年劳森先生推出劳森判据之后就泄气了，认为可控核聚变永远也实现不了，因为要求太高，以当时人类社会的技术水平，实在不知道该怎样才能达到。
1965年，一个叫戈登·摩尔的乐观主义者提出了著名的摩尔定律，即集成电路的晶体管密度每二十个月增加一倍。虽然摩尔定律背后并没有科学原理的支撑，但这么多年以来，半导体行业的摩尔定律一直有效。正是因为摩尔定律的存在，我们才看到信息产业革命般地改变了人类社会的发展。现在一部普通手机里面的CPU计算能力，强于几十年前的超级电脑。因此一个行业要想对人类社会产生革命般的影响，必须存在类似于摩尔定律这样的发展规律。
对比核聚变性能（蓝线）与摩尔定律（红线）
可是，摩尔定律固然厉害，毕竟属于半导体行业，和可控核聚变又有什么关系呢？其实，可控核聚变领域的发展也存在类似摩尔定律的规律，甚至比摩尔定律两年翻一番还要厉害：三重积指标大约每1.8年就能翻一番。从上图我们可以看出，到了上世纪九十年代中后期的时候，核聚变实验装置的性能指标已经到了1021 keV s/m3附近，这给了大家信心--可控核聚变真的有可能实现！
另外一个视角看核聚变装置的性能指标变化过程
于是到了二十世纪初的时候，欧洲提出全球合作搞一个核聚变实验堆，名字叫ITER（International Thermalnuclear Experimental Reactor）。项目于2007年正式签约，参与国有欧盟、中国、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度，其中欧洲出资45%，剩下的六家平摊。
ITER模型
这种多国合作项目，扯皮是难免的，尤其是欧洲主导，拖延本来就是欧洲人的生活方式。一直拖到2020年7月28日，项目算是进入了安装测试阶段。预计到2025年安装完成，2035年实现氘氚聚变。项目最后要花多少钱现在谁也说不清，反正现在预算已经大大超支了；美国估计可能得花600亿美元。
ITER项目现场图
ITER目标是实现Q=10的核聚变能量输出，且放电时间达到20分钟左右，从而为未来的商业性核聚变发电打下基础。这里的Q是核聚变输出能量与输入能量之间的比值。可控核聚变需要能量输入来启动及维持聚变反应，因此输出的能量必须远大于输入的能量，否则没有实际意义。Q一定要大于一才不亏本，但实际上要想实现有商用竞争力的发电，Q需要在20甚至30以上才合适。
中国的EAST
中国也有类似ITER的项目，名为EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），大小只有ITER的1/4到1/3，2006年在合肥建成，花了3亿人民币，出了很多世界上最好的核聚变成果。比如在2020年4月，实现了一亿度的等离子放电，持续时间为10秒钟。
EAST内部
3、 SPARCMIT提出来SPARC的构想，是基于这么个原因：ITER的设计年代比较早，那时候的高温超导材料还不能提供很高的磁场强度；这几年高温超导磁场性能有了大幅提升，因此可以设计出更好的聚变反应堆。在下图中，红点代表现在实验室能获得的最强磁感应强度--45.5特斯拉（缩写为T），最下面的蓝线代表了商业上实用的磁感应强度。可见近年来20-30特斯拉的磁体产品已经商用了。
磁铁性能的提升
ITER设计时的磁场为5.3T，而EAST仅为3.5T。下图给出了不同Q值下磁场强度和反应炉大小的关系，越大的Q值对应的曲线就越靠上。对于同样的Q值，T越大则尺寸越小，但T增加到15以上尺寸的减小就不明显了。T越大，磁场越强，则给等离子体的压力就越大，于是等离子体的密度得以提升，相应的等离子体的体积缩小，炉子就可以变小，建设成本也能降下来。
磁场与反应炉大小的关系
因此MIT的思路很简单，就是借助于最近几年高温超导磁体方面的进步，造一个尽量小的炉子，起名SPARC（Smallest Possible ARC），起到和ITER类似的验证目的。然后就是下一步，ARC（Affordable，Robust，Compact），这将是真正的商业核聚变反应堆。
SPARC 与ARC路线图
SPARC的磁场为12T，最高21T，Q值大于2，最高可以到10，聚变功率为100MW（ITER是500MW）。MIT已经从外界融资了大约2.5亿美元，打算从2021年开工建设，2025年点火实验。到了2030年代，开始建设ARC，实现商业化发电。
MIT的SPARC设计概念图
4、 预测未来MIT在核聚变方面有长时间的积累。比如前面图中的Alcator C-Mod，就是MIT的实验堆。不过MIT的SPARC2025年点火和ARC在2030年代商业发电的目标，仍然不啻于放了一颗高产卫星。假如MIT真的用区区几亿美金，建成接近于ITER水平的SPARC，那么世界其他国家的科学家们，该切腹的切腹，该上吊的上吊，免得浪费地球上的资源。
MIT的Alcator C-Mod内部
当然，作为核聚变行业外的佰思科学，我们不具备判断SPARC是否靠谱的能力和资格（行业内的人也未必判断得了）。不过，我们手中有个利器可以利用一下，就是核聚变行业的摩尔定律。
SPARC效果图
按照核聚变行业的发展历史，存在一个1.8年性能翻番的核聚变摩尔定律。当然这个规律未来是否仍然有效谁也不知道，我们只能把它当成一种信仰。
EAST内部的等离子体（右上角数值为点火之后的时间）
目前等离子体H-mode（High confinement mode）下运行时间记录是今年EAST的一亿度10秒钟。一些具体运行参数EAST没有披露，因此这一数值或许要打一些折扣。对比ITER在2035年实现一亿度运行20分钟的目标，简单计算可知，在15年中性能可以增长322倍，对应3220秒，大约50多分钟，因此20分钟的小目标感觉靠谱。
ARC和ITER的参数对比
实际上，MIT的ARC才能真正对标ITER，不过比ITER多了发电的能力，因为ITER毕竟还是实验目的。但是MIT没说ARC发电持续时间是多长，要也是一小时左右，那也还是靠谱的。但，这算得上商业发电吗？
核聚变路线图
ITER的下一步才是真正的商业验证堆，叫做DEMO，预计投入使用的时间为2060年。按照核聚变摩尔定律，以ITER的20分钟为基准，DEMO能连续运行的时间大约是212天，离实用还有点距离，毕竟是验证堆。
德国预测中国到本世纪末期能源构成（最上面黄色部分是核聚变）
德国人预计，聚变发电将在2070年代投入商用。按照摩尔定律，那时候反应堆持续运行时间能达到大约30年，这样长时间持续运行的核聚变反应堆才有实际意义。
不过，我们还是希望MIT能实现它的目标，谁不希望15年后就能看到核聚变发电呢？即便按照核聚变摩尔定律的预期，到了2070年我们也能用上聚变发电了。掐指一算，今年是2020年，那么到2070年，咦，怎么还有50年？
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