核聚变到底有多难？为什么中学生都能造，科学家却50年造不出？

10月9日，吉尼斯世界纪录网站发布公告称，15岁的杰克逊·奥斯瓦尔特来自美国田纳西州，成为有史以来最年轻的核聚变反应堆制造者（创造了核聚变反应堆，还有一些离他堆起来的13岁还有几天，而且他已经被审核了2年）！我们对核聚变并不陌生。我们早就听说过有关核聚变的消息。从我们开始研究它到现在已经半个多世纪了。即便是国际上几十个国家云集的热核聚变反应堆，从2007年到2010年10月发射至今，已经十几年了，却一直没有成功，被一个小学生彻底打败。是什么原因？

核聚变的原理是什么，为什么做起来这么难？

核聚变简单来说就是太阳的光热原理。这件事连科学家都搞不懂。以前一直以为太阳是烧煤的，结果黑体辐射算出来的很明显。煤不够烧那么久。啊！最初解决这个问题的想法是爱丁顿提出的。他认为太阳可能从光核聚变中获得能量。虽然他提出了具体的流程，但是还是有一个很麻烦的问题无法解决！

爱丁顿

因为科学家通过光谱学发现，太阳上含量最多的元素是氢，而氢有氕、氘和氚三种同位素。比例最高的是氕，几乎是100%，而氘还有一点损失，而氚几乎不存在，所以太阳内核正在产生的反应一定是氕反应启动的！

但是氕反应需要吸收能量，而太阳的体积和质量不足以进行氕反应，这让科学家们很尴尬，但是太阳就在那里！后来这个问题被伽莫夫解决了，因为量子隧穿效应让氕即使在不理想的条件下也能反应！从而解决了太阳发光最关键的第一步！

核聚变真的是太阳光的原理吗？

核聚变计划是澳大利亚科学家MarkOliphant于1932年发现的。1927年，他在剑桥大学卡文迪许实验室工作时，用粒子加速器轰击氘核（D，重氢）生产氚（T，超重氢），成为世界上第一个核聚变实验！这里的氘和氚这两种物质很关键，是未来氢弹和核聚变反应堆最关键的燃料！

氐氢在所有元素中所占比例最高，但其聚变要求却极其变态。即使在太阳内部，每十亿个质子相遇，也只有一次机会聚变成氘，然后氕氘聚变成氦III。但是以人类的条件，连氕氘聚变都实现不了，只能退而求其次，搞氘氚聚变还是比较容易的！

氘氚核聚变的要求是什么

核聚变反应堆？

原理我们都明白了，那么核聚变反应堆是怎么实现的呢？一般来说，核聚变反应堆有两种主要方法。一是前苏联于1968年研制的磁约束托卡马克核聚变反应堆。另一种是激光点火惯性约束聚变装置。让我们一一简单介绍一下：

磁约束聚变装置

将高温的氘-氚离子（导电）限制在磁场中，然后这些高温等离子体被不断加热，使氘-氚聚变-氚核释放出巨大的热量。说起来很轻松，但实际操作起来难度极大，因为高温等离子不听话。二是加热方式，等离子如何加热？第三是第一面墙的材质！

被磁场约束的等离子体，温度高达几千万到几亿度。磁场中的等离子体运动极其复杂，内部电流高达数千万安培。扭模、磁岛、磁面撕裂等问题非常严重，一旦失控，最好的结果就是熄火，最坏的甚至会爆炸！电脑根本就是变幻莫测，所以尽可能长时间的保存，加热到更高的融合温度，就成了当务之急！

悬浮在空中如何取暖？一般有欧姆加热和中性粒子流加热两种方式。前者会随着等离子体温度升高而效率下降，后者利用库仑碰撞原理将能量传递给氘-氚离子，另一种是波加热。还有一些无法克服的问题

还有就是在氘氚核聚变过程中会产生中子，使内壁的耐热传热材料变性。原理是原子核吸收了多个中子后，会衰变成为元素号+1或者序号高的元素干脆变成其他元素。这种材料还是消耗品，需要经常更换，价格还是偏高。再加上为了达到这些变态条件，比如用超导材料做成的线圈比黄金还贵，所以玩核聚变反应堆可不是一般人玩得起的！

超导线圈安装

另一种磁约束装置是仿星器，其不规则磁场容易产生磁感应强度的周期性振荡，从而导致其约束性能下降，其与托卡马克面临的问题不一样，但一样很难解决！

是惯性约束核聚变装置

这个原理就更简单了，用极光轰击氘氚燃料小球引起聚变反应！但问题是需要数百束激光，加热后效率迅速下降，难以维持聚变。另外，如何快速更换燃料颗粒？如何引出这些能量？惯性约束做的不多，但是作为星际导航引擎比磁约束有更好的条件。

美国小学生发明的核聚变原理是什么？它和ITER一样吗？

说了那么多废话，不就是说“难”字吗？为什么美国的小学生都在搞核聚变反应堆，而全世界的科学家却搞了半个多世纪连个屁都没放过？

美国小学生的核聚变是什么鬼？

"我已经能够用电来加速两个氘原子，使它们融合成三个氦原子，并释放出一个中子，中子可以用来加热水并启动蒸汽机，从而产生电能。",孟菲斯的田纳西州奥斯瓦尔特如是说。

奥斯瓦尔特出示吉尼斯证书

听起来很高大上，确实实现了核聚变，但充其量也只能算是中子发生器！在上面，奥斯瓦尔特也错了。核聚变不使用中子来煮水。中子很难利用，但锂可以转化为氚，从而实现核聚变反应堆的自持氚燃料供应！

制造氚

这种核聚变反应堆有一个学名，叫做“静电场约束核聚变装置”。它的原理与磁约束托卡马克或仿星器的原理相去甚远。其结构是一个处于真空状态的大球，周围环绕着电极，中间的金属网格球充有高压静电。氘粒子被引入后，会在静电场的加速下发生碰撞，最终发生聚变反应！反应过程如下：

D+D→T+p（释放4.03MeV能量）D+D→3He+n（释放3.27MeV能量）

两者都可以，为什么不用（氘）D+T（氚），这个更简单！但实际上，氚极难获得，而且价格极高，不是一般人能够承受的。幸好它在聚变中能产生中子轰击，否则我们买不起聚变反应堆！

那么D+D就是氘-氘反应也是可以的，为什么不做这么简单的聚变反应堆，搞什么超高难度的托卡马克和仿星器或者惯性约束聚变？原因很简单，因为这种静电场约束核聚变装置是个大玩具，它的Q值极差，即输入能量和输出能量无法达到1:1，甚至达不到1000:1.作为电站，不能输入一度电，输出也只有一度电。这个亏本的生意谁来做？

世界顶尖科学家正在研究的ITER，其Q值只有10，即输入1份能量，输出10份能量。看起来不错，但不能持久，这个比例离商用还差得很远呢！而2030年建成的CFETR（中国）Q值可达25以上！

核聚变路线图

但距离商业化还有很长的路要走。如果一切顺利的话，2050年左右就可以建成PFPP核聚变原型反应堆。这篇文章的大部分应该还能活着看到哈！

静电场约束核聚变装置

所以这是一个无用的聚变装置，但是不能这样定义。一个小学生就能独立完成这样的实验，动手能力绝对是惊人的。当然，我们不相信。都是他自己的事，替老子打架还是要的，不过主要思想和实验都由他来主导就已经很不错了！

我们祝贺他，但也不要盲目崇拜他，毕竟离真正的核聚变还有光年的距离！