精确计算后确认:核聚变发电成本不到1分钱一度电这事特么还是真的

中国乃至全球也能排得上最先进的核聚变装置——BEST的杜瓦底座成功完成吊装新闻真让大家沸腾了，别的就不用说了，央视新闻中一句“BEST将首次在国际上验证演示核聚变发电，有望在2030年通过核聚变发电点亮第一盏灯”就足够了，人类将彻底解决能源问题！

核聚变发电一旦成为现实，燃料几乎可以用无限来形容的能源将会让人类文明进入一个新领域！然而种花家却发现了一个问题，经过精确计算后发现，核聚变发的电单独燃料成本就可能高达3块半一度，要是再加上研发建设与设备折旧，这个电还不得5~10块钱/度，这特么谁用得起？

可控核聚变技术有多难？全球最顶尖的技术也只达到了要求的十分之一

核聚变、量子计算机，人工智能是二十一世纪最有希望的顶级科技突破，准确一点说，这几个领域中核聚变应该是最早展露出曙光的，从1950年第一颗氢弹爆炸后不久的1951年，美国科学家莱曼・史匹哲（Lyman Spitzer）就提出了通过类似8字形的螺线管产生有别于传统环形磁场的磁力线，以达到约束等离子体达到核聚变的目的。

仿星器磁环结构

1954年，苏联物理学家伊戈尔・塔姆和安德烈・萨哈罗夫根据奥列格・拉夫伦蒂耶夫信中的概念提出了托卡马克结构的核聚变装置，1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。1958年，第一台托卡马克T-1开始运行。1968年，苏联的T-3托卡马克装置上产生了1千万度等离子体。

托卡马克结构

简单一点说就是核聚变领域最早就开始实质性的研究了，并且进展相当不错，当年预计就是在二十世纪末将实现商业核聚变发电，也就是大约需要50年的时间来突破核聚变技术，但这个时间表从1970年代被推迟到到到2020年左右，到1990年代被继续推迟，核聚变成了永远都需要者无法被跨越的50年，所有有网友认为核聚变就是个骗子工程！

可控核聚变技术到底有多难？

核聚变说难不难，全球能实现实质性意义上核聚变的国家至少有5个，简单一点理解，自家有氢弹的都实现了核聚变技术。再一个就是距离地球最近的恒星——太阳的核心每一秒都有6亿吨氢元素发生核聚变，产生400多万吨的质量损失，转化为源源不断的能量。太阳上正在发生的核聚变反应称为质子-质子链反应：

质子-质子链反应（Proton-Proton Chain Reaction，简称 P-P 链）是太阳及低质量恒星（质量＜1.3 倍太阳质量）能量的主要来源，其本质是4个氢核通过多步核反应聚变为1个氦核的过程。这个在太阳上每时每刻在发生的核聚变反应的条件对人类来说实在是太变态了，所需要的条件基本上是这样的：

1. 极端高温（≥1000万摄氏度）——突破质子间的库仑斥力
2. 极高密度（≥100克/立方厘米）——提升质子碰撞概率

第一个条件倒是很容易达到，上文已经说了，1960年代前苏联的托卡马克装置就达到了1000万℃，但是极高密度就很麻烦了，这个100克一立方厘米简直就不可能，是黄金的5倍，地球上最高密度的元素锇密度也只有22.59克/立方厘米，很明显这是个不可能完成的任务。

不过PP链反应达到这两条外还不够，因为PP链分成3个主要阶段5步细分反应，其中第一步质子聚变生成氘核的过程，两个质子至少需要10亿年才有一次机会，需要慢慢积累，很明显人类是等不起这个过程的，所以用PP链反应作为核聚变的操作显然不现实！

那么怎么办呢？完全不用担心，因为太阳系本身就是超新星爆炸后形成的产物，地球上的元素全部继承自上一次或者多次恒星演变后的形成物，其中就有大量的氘，就是大家俗称的重水，售价嘛还真不是很贵，大概8~9元/克。

PP链中的反应的第二步是氘和氕（氕氘都是氢的同位素），但是氕氘反应如果没有那么高压强的话需要十亿度或者更高的温度才行，所以科学家还是知难而退了，选择了另一种条件更低的氚，也就是氢的第三种同位素作为核聚变的材料。

也就是氘（D）氚（T）反应，这个条件就低很多了，比如氢弹的装药就是氘和氚，DT反应的临界值大约为1.5亿℃，压力≥10⁹大气压，原子弹爆炸差不多能达到这个条件，当然可以通过结构设计将原子弹爆炸产生的X射线辐射压产生极高的压力，远超DT反应的临界条件，瞬间完成聚变反应，这就是氢弹爆炸的简单过程。

这就是1952年时已经完成的过程，不过我们目前需要的不是氢弹型的那种不可控聚变反应，而是需要可控核聚变反应！这个托卡马克或者仿星器核聚变装置就是利用氘氚混合物形成的等离子体，将其加热到极高温，然后利用磁场约束在一个环形区域内完成聚变反应的过程。

托卡马克环形腔体内的等离子体约束过程

利用磁场约束有两个目的，一个是方便加热，另一个是将这种极致的高温等离子体利用磁场与核聚变装置的内腔隔离，避免高温等离子体破坏内壁。这就是磁约束核聚变的简单过程，这种磁约束核聚变需要几个非常关键的条件：

1. 对等离子体持续加热：等离子体是个导电体，在磁约束腔内植入线圈，施加交变磁场时即可在这个环形等离子体内感应出强大的电流，形成涡流加热，不过这种加热模式有个问题，就是越是高温电阻越大，加热效果越不好；再往后就要用中性粒子碰撞实现更高温加热或者射频加热等模式；
2. 等离子体约束维持时间：想要让更多的氘氚原子核实现碰撞并聚变，那么需要更高的等离子体密度和更高的温度，同时还要更久的时间；然而等离子体是一团到处乱窜极高温火环，想要用磁场这个无形的牢笼将其囚禁，难度极大！

到目前为止，最高温等离子体的约束时间是由中国的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造的。2025年1月20日，中国的EAST装置成功实现了上亿度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造了新的世界纪录，相当于运行了17.7分钟，这个数据遥遥领先。

但是距离真正的核聚变“点火”并自持的条件还有多远呢？DT反应的条件除了温度和约束时间外，还有另一个硬性指标，也就是等离子体的密度，氢弹的“扳机”原子弹爆炸时核心很容易达到≥10⁹大气压，但是托卡马克反应腔体的等离子体密度很低，目前的公认的点火阈值条件为：

“点火阈值”（反应能量自给自足的最低标准）约为10²¹m^-3⋅K⋅s（即1亿度・10²¹ 粒子/立方米・1秒）

而中国的EAST能达到的密度是多少呢？1.2 x 10^20/m^3，只有点火阈值要求的1/10，也就是说还需要加大10倍的密度，或者约束更长的时间，所以各位明白这玩意儿为什么70多年过去了还在使劲折腾，因为这条件实在太变态了，全球最顶尖的技术也只是达到了阈值要求的1/10而已！请问这可控核聚变算不算地狱级难度？

2块钱一度的核聚变电能：到底是谁才用得起？

上文我们知道了可控核聚变发电的“燃料”为什么要选氘和氚，那么接下来要讨论下核聚变发电的成本，首先声明下，从上世纪1950年代开始到目前的研发成本以及ITER与EAST和BEST还有各国的核聚变装置成本统统不列入计算，仅仅是从燃料成本推算出每度电的成本：

• 燃料总量：1克（氘氚混合物）
• 完全聚变后释放的总能量：3.38×10^11焦耳，如果完全转换为电能约合9.39万度电

氘的成本上文已经有了，大约9元/克，这个成本对于几万度电的成本几乎可以忽略；那么氚的成本是多少呢？大约是3万美元/克。问题来了，氘氚混合物要完全反应的话比例应该是多少呢？

从方程式可见，1个氘核与1个氚核恰好完全反应（粒子数配比为 1:1，只有当两者的粒子数量相等时，才能最大限度避免某一种燃料过剩，确保反应效率最高。如果按原子核数算，大概是2比3三的比例，但工程应用上因为氘和氚都是气态，需修正分子结构影响，因此最终的燃料质量比大概是1比2，也就是1克氘氚混合物中，1/3克是氘，2/3克是氚，竟然最贵的氚还占了大头。

那么1克氘氚混合物的成本大概是9人民币*1/3+3万美元*2/3=142401人民币

那么每度电的成本就出来了，大概是1.5元人民币一度，请注意是这是直接成本！并且还是能量转换率100%的成本！那么实际的转换比例是多少呢？因为核聚变发电其实也是烧水产生蒸汽推动汽轮机再带动发电机，从烧水这段开始后其实和燃煤电厂的过程是差不多的。

目前典型的燃煤电厂从标准煤到电能的热值转换效率大约在42.36%左右，那么这个氘氚混合物发电的成本将会暴增至3.54元/度。这个电价大概是目前民用电价的7倍，请问这个价钱到底是哪路神仙才能用的起？所以说这核聚变发电就算搞出来了还是用不起，为什么还要费劲巴拉去搞核聚变呢？

答案来了，还有一种极低成本的增殖模式

在BEST建成后有两个重大任务需要验证，一个是“验证演示核聚变发电”，另一个则是验证“氚增殖系统能不能正常运行”，氚氢的第三种同位素，自然界中痕量，并且半衰期只有12.3年，自然界中原生氚来自宇宙射线与大气的相互作用，这个本来量就极低，加上半衰期过短，所以含量极低，无法有效富集与开采！

目前的氚主要是来自核反应堆中生产，其过程是锂-6和锂-7在获得高能中子后生成氚，目前天然锂就是锂-6（7.5%）和锂-7（92.5%）的混合物，两者在捕获中子后都能生成氚，其过程如下：

锂-6的反应对中子能级没有上下限要求，反应截面比较大，所以在氢弹中用的就是锂-6被原子弹中子轰击形成氚再和氘反应。锂-7的反应过程如下：

锂-7有反应阈值，当中子能量＞1 MeV 时才能发生，并且锂-7在反应后还会生成一个中低能级中子，大概是0.8MeV，这个中子也非常有用，下文会继续扒！核反应堆中的中子确实不少，但要用这些中子去轰击锂产生氚，并且氚还要以克计时，这个成本就会变得非常高，因为要2.07×10²³ 个氚原子才能凑出一克！

所以各位肯定是明白了，这个氘氚核聚变的关键是需要多出一个中子，这样就能让锂产生氚，在反应堆中增殖并持续完成聚变！那么氘氚聚变能符合要求吗？请看如下氘氚反应方程式：

看到了吗？有一个中子产生，这个中子的能级大概是14.1MeV，完全符合锂-7捕获后产生氚的要求，同时锂-7在这个反应过程中还会产生一个0.8MeV能级的中子，这个无法让锂-7反应，却能让锂-6反应，所以完全可以用天然锂（含有7.5%的锂-6）作为内壁的增殖材料，同时再补充氘即可让这个聚变反应堆不断持续下去。

那么问题来了，天然锂的成本是多少呢？99.9%的金属锂国内有色金属交易的挂牌售价范围是 600000-620000元/吨，约合0.6元一克，按这个成本，我们再来算一算一度电的成本大概是多少，大概是0.00010223元/度，要是按42%的效率算，大概是0.0002434元一度电，也就远远不到1分钱左右！所以传说中的核聚变电力不到一分钱一度电还特么是真的！