可控核聚变真的很难——一个外行试图理解一切

Frimp

作为一个非核聚变相关的理论学家/工程师，我先前对于可控核聚变技术的了解基本上仅局限于“实现了之后杀向星尘大海”“无限的清洁能源”水平，或者是“永远还差五十年”这一类偏悲观的梗。作为网络冲浪小能手，在EAST和更为抽象的ITER不断传来新闻的时候，我终于决定在网上找点相关的资料，储备知识以供网络吹逼使用

我所主要依赖的知识来源：
1.【中科大公开课】核聚变——人类理想能源_哔哩哔哩_bilibili 万元熙院士的讲座视频
2.核聚变100问（1）：什么是核聚变？ - 行业科普某个疑似从网络上爬虫相关内容的网站，注意100问中虽然有不少高质量文章，不过也有很多明显的ai文，注意甄别
3.知乎
4.Deepseek，ChatGPT等ai模型

以下是我在搜索了一个周末的资料后得到的个人总结，毫无专业知识背书，欢迎各位业内人士批评指正

别样的碰碰车大战——核聚变是什么：
轻原子核聚集到一起时产生的核变化，两个原子核聚合成更重的元素，并根据质能方程释放能量。核裂变依赖的是是重原子核（如铀-235）的链式分裂反应，而核聚变与之不同，所需要的条件要求更为苛刻。由于原子核都带正电，正如同把两个磁铁的正极贴到一起时一样，为了发生核聚变，两个原子核在互相接近的过程中需要克服越来越大的斥力以达到核力所主导的范围。因此，想要完成核聚变，两个原子核必须达到极高的初速度以携带足够的动能来克服库仑力。而微观粒子的速度体现为外在的温度，所以核聚变的发生需要极高的温度。除此之外，由于核聚变的本质就是具有极高速度的原子核之间相互碰撞的次数足够多，粒子密度和时间显然也会影响碰撞事件的总量，这便给出了核聚变燃料点火是否能够成功的理论论据：聚变三重积，即温度*时间*粒子密度，在核聚变装置内部达到聚变三重积即可理论上实现点燃燃料。

太阳的存在能否说明人类也可以仿照其实现可控核聚变？——不同的约束方式：
网络上有一个说法是可控核聚变一定可以由人类实现，因为太阳就作为一个最好的例子挂在每个人的头上。很不幸的是，事情似乎恰恰相反……根据上一节中得到的结论，聚变三重积是一个关键的判断标准，而太阳对此的解法是……大力出奇迹。其拥有的极高质量能将氢原子核通过重力的作用约束在一定范围内并且保证粒子密度，其具有的极大体积保证了原子核之间发生的碰撞事件足够多，这些都不是人类可以模仿的条件，毕竟太阳相比于地球的质量和体积都太过巨大，人类想要开发可控核聚变技术只能走别的路。同时，由于核聚变的条件过于苛刻，目前并未发现材料可以承受如此极端的条件，因此可控核聚变需要开发凭空约束燃料的装置而不是试图将其直接存储在一个锅炉内。目前的两条主要技术方案分为磁约束和惯性约束，而磁约束又有仿星器和托卡马克装置两条分支。惯性约束是对燃料弹丸的各个方向通过激光同时施以极大且均衡的力，使原子核在惯性的作用下互相碰撞，点火，释放能量，吸收能量，并且对新的燃料弹丸重复相同的过程，绕开了长期约束燃料的过程。而磁约束不同，要将核聚变燃料通过磁场长期约束，各类原子核和电子在磁场的约束下有规律的悬空移动，以实现点火、释放能量等过程。托卡马克和仿星器都是基于相同的思路，但是托卡马克装置的实现更为简单（但等离子体内部具有电流风险），而仿星器理论上更安全但是设计难度更大。目前主流研究方向是托卡马克装置。

核聚变的燃料真的清洁且取之不尽吗？——不同的核聚变燃料：
核聚变的要求只能在低原子序数的原子核之间实现，目前几乎所有的核聚变装置研究的都是氘氚聚变，原因很简单，该聚变反应最容易发生，并且理论上释放出的能量较大。虽然氘氚聚变最容易发生，但是它有三个显著的缺点：
1.其所释放的能量很大一部分是以极高速释放的中子形式出现，而中子由于电中性又无法受到磁场约束，因此提出了两个问题：要怎么捕获中子中携带的动能而转化为所需要的电能？极高速的中子不仅会物理击坏核聚变装置的外壁，而且还有可能会导致组成外壁的元素发生变化而无法达到设计水平，称为第一壁问题。只要使用磁约束装置进行氘氚聚变，第一壁问题就无法避免。
2.虽然氘元素的丰度极高并且可以在海水中收集（这也是各类一分钟科普中说核聚变燃料取之不尽的原因），但是氚在自然界中的储量极低，不可能做到从自然界中收集以满足所需，因此氘氚聚变的核聚变装置需要实现氚燃料的自给自足，称为氚自持。目前的研究思路是利用氘氚聚变所产生的中子可以和锂元素进行反应以释放新的氚作为燃料重新参与循环，不过这又带来了两个新的问题：目前工程上仍未有实例证实氚自持方案的有效性；并且锂和作为中子倍增剂的铍虽然储量不像氚那样稀少，但是也远非无穷无尽，与各类常见的核聚变宣传绝不相同。
3.虽然氘氚聚变是理论上最容易实现的聚变类型，不过人类目前还没有实现真正意义上的氘氚聚变点火（即达到对应的聚变三重积并且维持足够产能的时间）
理论上还存在其他的聚变燃料，如氘氘聚变，氢原子-硼聚变，氦3聚变（就是各个科幻小说中在月球上采集的那个），理论上可能会是比氘氚聚变更优的选择，但是它们想要点火比氘氚聚变更为困难，其所需要的聚变三重积理论上是几十倍甚至几千倍，在人类尚未达成可控氘氚聚变的时候，研究其他燃料恐怕并不实用。

新闻学魅力时刻——核聚变装置的能量产出投入比：
上文提到的聚变三重积和Q（能量产出投入）是常见的衡量现有可控核聚变装置的指标，一个描述装置是否能真正引燃核聚变燃料实现点火，另一个则是描述核聚变装置作为理论上的发电站是否可用，即核聚变真正产生的能量和输入进核聚变体系中的能量的比值，理论上这个比值只需要达到1即可证明核聚变的实用性，然而不幸的是，Q这个指标其实完美展现了新闻学的魅力时刻：所谓的输入体系的能量，指的是刨除了一切现实世界的损耗，包括各类输电损耗，外围装置维持等等一切对核聚变装置必不可少的能量消耗！Q指标理论上跟普通人所关心的能量正输出完全不是同一回事，Q大于10的时候可能才能做到一般人理解中的能量净输出，而Q大于25的时候才有可能真正做到具有经济可行性的核聚变发电。更不幸的消息是，即使Q这个指标已经这么耍流氓了，人类目前所真实达到的Q也没有做到超过1……日本人曾经得到过1.25，只不过是通过意淫体系中的一部分氘为氚，并且脑内想象得到的所谓推断Q值。Q值的奇葩定义也在侧面说明了超导技术并不会真正促进核聚变技术的发展，现有的包括EAST在内的托卡马克装置已经使用了超导体，只不过是工作温度相对较低而已。假如人类真的撞大运烧出来了所谓的常温超导，减少的也只不过是对核聚变装置制冷所需要的能量罢了，不会对核聚变的原理本身有什么促进。

捞翔怎么还要五十年啊——我对于核聚变装置是否能实现的个人看法：
越是了解，越觉得可控核聚变技术的困难，可能它本身需要几十甚至上百个诺奖级结果的累积才能实现，也有可能受限于物理法则根本无法实现，就如同费米悖论的解释可能就只是光速在宇宙级尺度前微不足道而导致的锁死在本行星系内……作为非业内人士的普通人，在关心核聚变相关新闻的时候基本只需要关注三个最为关键的重点问题是否解决：等离子体是否在可控约束下达到了对应的聚变三重积和相对有意义的Q值？是否开发了足够的第一壁和包层材料，可以做到抵御极高速中子的轰击（或者说有一个实际可行的更换第一壁材料的方案也可以）？作为核聚变燃料的氚是否已经实现了有意义的自持率？人类现在对于可控核聚变的探索恐怕只不过是万里长征第一步，普通人过于关心相关的技术细节新闻，恐怕就如同在一趟从广州通往黑龙江的绿皮车上试图通过数电线杆子来判断还有多久到站，没数几下就低头刷手机去了……


引用万元熙院士的一段话作为结尾，“（宣传时）缩小了进展会失去应当得到的支持，过分的夸大进展则会容易造成误解……看到在取得进展的同时，我们还应当做怎样巨大的努力才能实现最终的目标，对科学工作者来说是非常重要的。”

寻找无双

我觉得中国目前处在一个爆炸式发展的前夕，说不定有生之年可以看到中国出一个比肩牛顿、爱因斯坦那样的人物，解决可控核聚变、常温超导、理论物理大突破之类的难题。

astkaasa

寻找无双 发表于 2025-1-26 21:25
我觉得中国目前处在一个爆炸式发展的前夕，说不定有生之年可以看到中国出一个比肩牛顿、爱因斯坦那样的人物 ...

new type？

larry1

还早着呢，60年前发明了氢弹的时候，人类就以为能很快实现核聚变电站，然后过了60年依然还有50年
正能量输出还没实现

爱吃冻鳗的猫

寻找无双 发表于 2025-1-26 21:25
我觉得中国目前处在一个爆炸式发展的前夕，说不定有生之年可以看到中国出一个比肩牛顿、爱因斯坦那样的人物 ...

核聚变这么复杂的技术决定了不可能是光靠个体智慧能解决的。

RGm

核聚变的未来全靠AI了。

Alce79

寻找无双 发表于 2025-1-26 21:25
我觉得中国目前处在一个爆炸式发展的前夕，说不定有生之年可以看到中国出一个比肩牛顿、爱因斯坦那样的人物 ...

材料学能大突破就已经算轰动全球的事件了

Frimp

RGm 发表于 2025-1-26 22:26
核聚变的未来全靠AI了。

ai基本只能做到帮助控制等离子体的行为，其他的很多工作不是ai能做到的

璇瑢子R

补充一下，氘氚聚变的产物是带13.5meV能量的中子和3.5meV能量的alpha粒子 （对，80%能量在难以利用而且危险的中子身上）

平时说的核裂变反应堆的辐射其实绝大多数都是裂变产生的8-9meV的中子被其他原子核吸收以后产生的短衰变周期同位素。铀无论235还是238本身的辐射极低，而且因为衰变周期超长所以衰变产生的其他元素的辐射也相对较低。

所以只要还是再说氘氚聚变，那所有说的清洁，无辐射都是谎言。辐射比现在的裂变反应堆要严重的多

而只要还有那么多辐射，认为聚变成本低廉可以引发能源革命也全是谎言。因为现在的裂变反应堆主要成本就是在处理辐射上。那氘氚聚变只会更胜

prattwhitney

这里的问题实际上是：如果只是说，我想要便宜的电，那我为啥要死磕核聚变？实际上现在就有很多工程上完全走的通的办法来生产大量的，便宜的电；只是一些具体的工程问题还没有解决罢了，花点钱是肯定能解决的。最简单粗暴的办法不就是沙漠铺光伏么，现在制造光伏所需要的能源已经低于全寿命发电量，这个循环本质上已经跑通了，造越多赚越多。
如果你觉得光伏听上去不酷炫，其实第四代反应堆有一个深度燃烧循环概念，说白了就是这个类型的反应堆产物可以继续拿到下个类型的反应堆去烧，一个循环下来可以最大利用核燃料，也可以把以前无法利用的核废料和边角料也拿去烧，实际上现有的铀矿这么循环利用的话烧个几千年完全不是问题。而且所有的反应堆原理样机都能跑通，你鳖都在搞一些示范堆，实际上无非就是工程上要解决一些问题而已。这比核聚变都要现实得多的多。
所以可控核聚变发电这事吧，最大的问题在于它某种意义上是一个模因，获得了实际上并不匹配它的地位的名声。

璇瑢子R

prattwhitney 发表于 2025-1-26 22:39
这里的问题实际上是：如果只是说，我想要便宜的电，那我为啥要死磕核聚变？实际上现在就有很多工程上完全走 ...

因为绝大多数人印象里的核聚变都是成本接近于零。
所以能够极大的改变社会形态。

而你说的这些并不接近于0

文武不同道

爱吃冻鳗的猫 发表于 2025-1-26 22:23
核聚变这么复杂的技术决定了不可能是光靠个体智慧能解决的。

感觉以后历史上很难在出现牛顿，爱因斯坦以及量子科学那一堆大佬似的人物了，可能都是以团队模式出来的科学突破

bartholo4

真没资源了逼到绝路挖空一座山内爆氢弹不也是一种可控核聚变？

—— 来自 鹅球 v3.3.96-alpha

柜子没把手

如果把**砸给AI的5000亿刀砸给可控核聚变，三十年内能不能搞出来？

lin2004

bartholo4 发表于 2025-1-26 22:59
真没资源了逼到绝路挖空一座山内爆氢弹不也是一种可控核聚变？

—— 来自 鹅球 v3.3.96-alpha ...

超弩级重力约束聚变堆燃料还够40多亿年放着不用去挖山点炮，钱多没地方用用火箭打薄膜反光幕卫星群上地球轨道啊去啊。

总有人对于戴森球路线嗤之以鼻反而以为愚蠢的人类在小行星上挖的轻核拿来聚变能解决能源问题。

你说这个谁懂呀?

前面老哥其实说的挺对呀,
不解决分配问题本质上讲就没有任何意义呀. . .
现在全世界的粮食生产量远远超过了所有人的消费量,
但是照样还是至少有6,7亿人在挨饿. . .
实际上廉价的电获取难度没有想象那么大. . .

larry1

prattwhitney 发表于 2025-1-26 22:39
这里的问题实际上是：如果只是说，我想要便宜的电，那我为啥要死磕核聚变？实际上现在就有很多工程上完全走 ...

你说的应该叫增值堆吧
好像还没有商业化的

玉米黍

可控核聚变的商业化思路就是错的。人造的聚变不可能比太阳能更稳定更便宜更高效。所以发展可控核聚变技术不如直接利用太阳能：只要在赤道上建设一个太阳能板集群带，就能有足够的电能满足现有人类人口水平的需求。

炽十二翼

越来越感觉商用可控核聚变可能永远在工程上不具备实现条件，戴森球或者戴森环或者地球轨道太阳能电站可能还简单点。当然还有另外一个可控核聚变利用方法，前苏联想过把一座山的山地挖空放氢弹进去引爆，然后像利用地热那样导出能量，例如地热电站，不过嘛……地热的利用率本来就低得离谱，还要用氢弹来产生地热，费效比可能更低

chaosliu

感觉可控核聚变还是为了解决一个问题：远离恒星的深空如何持续获得可靠能源的最简单的方式

AraTurambar

伟大的太阳就挂在天上，不去想办法利用太阳能想自己造太阳是不是太狂妄了。

lin2004

炽十二翼 发表于 2025-1-26 23:33
越来越感觉商用可控核聚变可能永远在工程上不具备实现条件，戴森球或者戴森环或者地球轨道太阳能电站可能还 ...

人类走向深空的关键技术是储能（人造核燃料）不是挖矿（挖核燃料），能用太阳能制造轻核燃料再来考虑核反应堆这种事情才是正确的方向。

greataxe_02

璇瑢子R 发表于 2025-1-26 22:49
因为绝大多数人印象里的核聚变都是成本接近于零。
所以能够极大的改变社会形态。

我觉得光伏能成本接近于零，前提是统一全球，在所有经度上能铺光伏的地方铺满，全球统一调配电力。这样就不用修储能站了。

—— 来自 S1Fun

Asimot

可控核聚变永远不能实现，人类走不出太阳的重力，宇宙中只有我们这一种孤独的生命，这种可能性是存在的。

炽十二翼

lin2004 发表于 2025-1-26 23:37
人类走向深空的关键技术是储能（人造核燃料）不是挖矿（挖核燃料），能用太阳能制造轻核燃料再来考虑核反 ...

人类走向深孔的关键技术不是能量，能量的话裂变堆已经很够用了，推进用霍尔推进器，甚至直接用裂变弹聚变弹在屁股后面炸着推进都行。深空最大的问题一是通讯导航，二是如果要载人的话，人类的生理条件在那，生命维持技术也很难突破，三是材料技术，要有耐高低温差并且重量轻强度高耐辐射的材料

lin2004

Asimot 发表于 2025-1-26 23:46
可控核聚变永远不能实现，人类走不出太阳的重力，宇宙中只有我们这一种孤独的生命，这种可能性是存在的。 ...

不如说实现了也解决不了啥问题，不能解决把横行放出的能量重铸成核燃料的问题，那么人类永远无法用到足够的核燃料，兜兜转转一大圈又回到了，必须先有太阳能，才能使用核聚变，结果可控核聚变不过是核物理学尺度上的电池而已，没有光伏发电的核聚变就是无源之水。

瓦格雷

璇瑢子R 发表于 2025-1-26 22:49
因为绝大多数人印象里的核聚变都是成本接近于零。
所以能够极大的改变社会形态。

怎么可能是0  水电 风电 太阳能之类理论都是不劳而获的能源  有让你用到0成本的电了吗

lin2004

炽十二翼 发表于 2025-1-26 23:49
人类走向深孔的关键技术不是能量，能量的话裂变堆已经很够用了，推进用霍尔推进器，甚至直接用裂变弹聚变 ...

但是这一切物质基础的制造和维持，不是还一大圈回到能量上补什么，不过在那之前最直接的问题还是，愚蠢的人类连永生都做不到，跑去深空图啥的哲学问题。

树洞专用

如果能解决电力运输的大量损耗的话，太阳能确实是版本答案之一。最终又绕回来材料学了吗

东龙山

寻找无双 发表于 2025-1-26 21:25
我觉得中国目前处在一个爆炸式发展的前夕，说不定有生之年可以看到中国出一个比肩牛顿、爱因斯坦那样的人物 ...

不会出现，我们现在的科技进步是工程技术上的，海量工程师996的结果。理论原创突破靠高校，表现很差，但追热点灌水厉害。

但是高校现在筛选的都是密集兑现浅层思考的灌水刷子，并占据了各层帽子。长时间思考深刻问题的，比如张益唐佩雷尔曼这种，是吃亏的，现在差不多生态灭绝。

有人说，等他有了帽子就会做深刻问题，但是打惯了追击战是打不了攻城战的，没有训练到深度思考能力。

璇瑢子R

瓦格雷 发表于 2025-1-26 23:51
怎么可能是0  水电 风电 太阳能之类理论都是不劳而获的能源  有让你用到0成本的电了吗 ...

当然不可能。但是耐不住期待核聚变的人普遍这么想啊。。。

Risa_g

超导技术对于可控核聚变还是有影响的。超导材料除了最受关注的相变温度外，还有一项参数也很重要：最大载流强度。能承载更大电流就能产生更大磁场，从而提高等离子体的可约束温度和密度。

stmule

爱吃冻鳗的猫 发表于 2025-1-26 22:23
核聚变这么复杂的技术决定了不可能是光靠个体智慧能解决的。

也可能想复杂了，说不定低温聚变其实不用很累很麻烦

—— 来自 samsung SM-S9110, Android 14上的 S1Next-鹅版 v2.5.4

绝地潜兵

中核说是25年了

logiccat

prattwhitney 发表于 2025-1-26 22:39
这里的问题实际上是：如果只是说，我想要便宜的电，那我为啥要死磕核聚变？实际上现在就有很多工程上完全走 ...

不仅是便宜，还得可以上天入地搬来搬去，比如核电站也只能提供固定设施供电，但是反应堆上船之后就变成大杀器了，要进军星空，可控核聚变是必要的。

blueskant

炽十二翼 发表于 2025-1-26 23:49
人类走向深孔的关键技术不是能量，能量的话裂变堆已经很够用了，推进用霍尔推进器，甚至直接用裂变弹聚变 ...

exactly     

Liberation

东龙山 发表于 2025-1-26 23:56
不会出现，我们现在的科技进步是工程技术上的，海量工程师996的结果。理论原创突破靠高校，表现很差，但 ...

让佩雷尔曼失望以致于隐居的，也不是你老中的科研界啊，反思也举点正常的例子啊

卡普空

柜子没把手 发表于 2025-1-26 23:04
如果把**砸给AI的5000亿刀砸给可控核聚变，三十年内能不能搞出来？

它这5000亿最终有没有500亿都不好说

—— 来自 鹅球 v3.3.96

greataxe_02

炽十二翼 发表于 2025-1-26 23:49
人类走向深孔的关键技术不是能量，能量的话裂变堆已经很够用了，推进用霍尔推进器，甚至直接用裂变弹聚变 ...

把一艘3000吨的飞船加速到0.1c所需的动能≈ 1.35 x10^21焦耳
一颗典型的氢弹（热核武器）释放的能量约为10兆吨TNT当量，即约 4.18 x10^16焦耳
将总所需能量除以单颗核弹的能量≈32297颗
然而，这只是理论上的能量需求。实际上，核脉冲推进的效率远低于100%。Orion计划估计的推进效率约为10%至20%。假设效率为15%，则实际所需核弹数量：215,311 颗。

这还没算减速需要的能量呢，靠核爆访问深空是想多了。当然有了聚变发动机也不够，一定是需要在太空中搜集燃料的技术。


—— 来自 S1Fun

炽十二翼

greataxe_02 发表于 2025-1-27 08:53
把一艘3000吨的飞船加速到0.1c所需的动能≈ 1.35 x10^21焦耳
一颗典型的氢弹（热核武器）释放的能量约为1 ...

总想着0.1c是不是太单纯了，就算给你达到0.99c，光银河系直径都接近20万光年呢，顶得上好几个人类史了，怎么不考虑一下数字飞升？全人类数字化无所谓生理寿命，慢慢飞途中还能继续迭代自身。在没有什么科幻航行技术之前，真正限制人类探索的是人类自身的生理局限，才不是什么能量速度这些