中国“人造太阳”新突破！吹了这么多年，达成什么指标才能商用？

可控核聚变号称宇宙终极能源，往大了说是宇宙航行的必备条件，往小了说是能让人类实现无限能源，让每个人的生活都极度富足的无尽宝藏！

因此多年来，包括我国在内的多个国家，都在为掌握这项可以改变人类生活方式的技术努力着。

这不，近日有消息称中国新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL-2M)科学研究又一次取得突破性进展，等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新记录。

然而看着新纪录一次次被打破的消息不断引发关注，相信屏幕前的你也像我一样既充满期待又心怀疑惑！

上图：中国新一代“人造太阳”(HL-2M)

要知道在世界范围内，对于如何使用核聚变发电的研究已经进行了60多年，虽然时不时就有实现重大突破的消息被放出，但想实现商用却始终受到科技困难的阻碍。只看见纪录一次次被打破，可“人造太阳”究竟需要满足什么指标才能真正商用？

想要回答以上的问题，咱们得先研究一下太阳！

首先咱们要先明确一个概念，即核聚变是两个或多个原子核结合形成一个或多个不同的原子核和亚原子粒子的反应。而由于反应物和产物两者原子核之间存在质量差异，便有了能量的释放或吸收。

经过测算，产生比铁或镍更轻的原子核的核聚变过程通常会释放能量，并且越轻的元素越容易聚变，但需要注意的是，所谓“容易发生聚变”也只是相对容易而已。

总的来说，发生核聚变的条件始终非常苛刻，需要燃料具有足够的温度、压力和限制时间的密闭环境，以产生可以发生聚变的等离子体。

这些条件组合起来，被称为劳森判据，即温度、等离子密度、能量约束时间三个值相乘获得的数值。

能满足这些条件的常见环境，只有在宇宙里的恒星中。恒星使用的燃料是氢，而重力提供了非常长的约束时间。

以咱们头顶的太阳为例，在重力的作用下，太阳中心实现了1500万K的高温和 2000亿个大气压的高压，使得氢在这个“较低”的温度就可进行聚变。据说，太阳每秒可融合6.2亿吨氢，并产生6.16亿吨氦，至今一直持续了46亿年。

而在地球上没有那么高的压强，要发生聚变，温度就需要达到上亿K。同时为了降低聚变反应难度，在地球上会使用氢同位素，例如氘和氚作为燃料，因为它们比氢更容易融合，也更容易满足劳森判据的要求。

既然如此，那咱们离实现可控核聚变还有多久？

以氘氚聚变反应为例，根据劳森判据，其点火常数须大于3*10^21KeV s/m³，且其聚变反应的最低温度为3千万度（2.6keV）。而根据目前数据显示，中国环流器二号M装置(HL-2M)可达到1.5亿摄氏度（12.9keV）的高温，足以满足聚变所需的温度要求。

此外，中国环流器二号M理论上可制造2.5兆安培以上的等离子体电流，现已达到100万安培（1兆安）的运行新记录。

然而由于不清楚截面面积，所以咱们暂时无法计算等离子密度（等离子密度为等离子体电流与截面面积的比值），也就无法计算其是否满足劳森判据。

不过作者注意到新闻报道中提到：“此次全新的突破意味着该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行。”

所以其应该满足了聚变所需等离子密度的最低要求。接下来只需要有足够长的约束时间就行了。因此可以说，离实现可控核聚变越来越近了。

但仅仅满足劳森判据还不够实现商用，因为满足劳森判据只是达到了能够实现核聚变的阈值。想实现商用，还需要核聚变输出的能量，大于维持核聚变输入的能量。而这个判断标准称为Q值，表示核聚变装置输出能量与输入能量的比例。

上图：核聚变装置内部构造

当Q大于0，就可以说已经实现了可控核聚变，但是能量输出小于能量输入不实用。当Q大于1，能量输出大于输入，能够实用了，但输出效率太低，成本太高。目前大多数核聚变装置的Q值都在1附近徘徊，剩下的还不到1。

而要想实现商用，Q必须大于10才行。当然，如果条件再提高到某种程度，Q会成为无穷大，也就是说只需要一次“点火”，系统放出的能量就足以支持核聚变持续进行下去，不再需要外界的能量输入。

目前，有望最早实现Q值大于10的可控核聚变项目，就是几乎集全球之力的国际热核聚变实验堆（ITER）计划。成员由包括中国在内的全世界主要核国家组成，覆盖的人口接近全球一半。但ITER也只是勉强及格，效率最高的还是中国的CFETR项目。

CFETR项目于2017年12月5日在合肥正式启动工程设计，是中国在全面消化吸收ITER相关技术的基础上，预先开展的下一代超导聚变堆研究项目。预计到2050年，建设聚变商业示范堆。

CFETR体积约为ITER的85%，在建设方面将采用ITER70%的技术积累，同时在此基础上弥补了ITER装置时间短、燃料氚不能自持不能发电等功能。预计Q值将大于25，而ITER才仅仅为10。聚变功率高达200万千瓦，是ITER的4倍。

由此看来，貌似可望不可及的可控核聚变技术，实际上已经触手可及。如果CFETR项目真能顺利进行，中国将成为首个迈向未来世界的国家。不出意外，咱们也能见证那一天的到来！