如何评价中国「人造太阳」东方超环 EAST 首次实现 1 亿度运行？ 第1页

遐想一下。

「……21世纪上半叶，以可控核聚变的实现与民用化为基础，以强人工智能、量子计算机、基因工程和3D打印定制化生产的广泛应用为核心，以人类进行大规模太空殖民为主要标志的第四次科技革命，创造了巨大的生产力与物质财富，推动了人类社会的剧烈变革，甚至预示着人类生命形态根本改变的可能性，被认为是实现共产主义的必经之路。」

——《义务教育课程标准实验教科书·初中历史》（2049年版）

看了很多回答和评论，发现两件事，第一，大多数人对于可控核聚变的难度没有多少概念，第二，就题目本身来说，很多人对于这件事没有客观的认知。

犹豫了很久，决定还是来写下这篇回答，算是献出知乎首答吧。

之前提到的两件事情其实也无可厚非，我想大家对于可控核聚变的了解一方面是来自其无限能源的美好许诺，另一方面则是永远五十年的调侃。加上媒体又时不时地搞出点“大新闻”，这种觉得好像马上要实现又好像遥遥无期的矛盾是可以理解的。

下面就说第一件事，可控核聚变到底有多难？

这里我会写得不一样一点，以求大家既有直观的理解，又有具体的分析计算。

首先，作为一种能源，可控核聚变最重要的指标一定是能量增益系数，我们称为Q，即聚变产生的能量与维持等离子体所消耗的能量的比值，通俗地说就是输出/输入。

显然，Q要大于1，即输出大于输入，这件事情作为能源才有意义。而要让它成为有商业价值的能源则至少需要Q大于20 [1]（注意这里的输出还只是聚变输出的能量，而非最终产生的电能！）。

上个世纪五十年代，英国物理学家Lawson提出了一个著名的判据（即Lawson判据），这个判据表明，如果想要Q大于1，等离子体的密度、温度、能量约束时间的乘积（即聚变三重积）应当大于一个定值 [2]。

这一点直观上很好理解，单位体积内的离子越多，运动越快，并且这个状态保持的时间越长，那么聚变发生的概率就越大。

这个值具体是多少呢？对于D-T聚变来说，温度为14keV时（1eV大约对应11600K，14keV大约是1.6亿度），三重积取到最小（之所以有这个条件是因为聚变反应截面是温度的函数），大约为 [2]。即想要Q大于1，三重积必须超过这个值。

下面我们来做一点简单的计算。

首先，对于磁约束装置来说，或者更具体一点，对于托卡马克来说，我们用于约束等离子体的磁场是有限的（技术与成本的限制，而且提升磁场意味着消耗更多能量），即便使用超导，也不能超过临界磁场。

一定强度的磁场含有一定大小的能量，物理上的术语是磁压，即磁场的能量密度。这里我们取一个大一点的值，5.3T，这是ITER的设计环向场大小 [3]，对应的磁压是 ，在等离子体物理中有一个概念叫比压（beta），即等离子体的热压与磁场的磁压的比值。对于托卡马克来说，beta必须小于1，否则等离子体会破裂 [4]。

这一点很好理解，等离子体的密度和温度越高，其热膨胀压力就越大，而我们用来约束的磁场及其所提供的磁压是有限的，所以等离子体的密度和温度的乘积必然有一个上限。

我们假定beta为0.1（实际上绝大多数托卡马克的beta处在0.01的量级，球形托卡马克上最高可以达到0.4 [5]），按照上面的计算等离子体的热压应当满足 。

我们之前取的温度是14keV，在这个温度下，等离子体密度满足 。

好了，现在密度、温度都确定了，根据Lawson判据，想要实现最基本的输出大于输入，能量约束时间应当满足 。

关键的地方来了，什么是能量约束时间？能量密度除以能量损失功率密度。那么对于温度是1.6亿度、密度是 的等离子体来说能量损失功率密度有多强呢？

大家可能会想到一个很简单的道理：物体温度越高，其辐射损失越强。这里需要说明的是，尽管聚变等离子体的密度看起来很吓人，但它依然是一种“稀薄”介质。学过高中化学都知道，空气的分子数密度是 ，所以聚变等离子体的密度只有空气分子数密度的不到万分之一，因此这里说的辐射并非黑体辐射。

聚变等离子体中存在几种辐射损失，包括：杂质产生的线辐射、带电粒子在磁场中运动产生的回旋辐射、库伦碰撞产生的韧致辐射等，我们这里只考虑占主要部分的韧致辐射，需要明白，这种辐射是无法避免的，也是无法减少的 [6]。

韧致辐射的功率密度是 。

聚变等离子体的能量密度是 。

显然，由于我们只考虑韧致辐射，那么能量约束时间必然存在一个上限， 。

现在事情比较清楚了，一方面，由于磁场及其提供的磁压是有限的，我们对于等离子体密度和温度的提升受到了限制，另一方面，为了实现能量增益，我们只能期望提升能量约束时间，而韧致辐射，无法避免且无法减少，同时随着密度和温度的升高而增强，则为能量约束时间设定了一个并不高的上限。

大家可以想想，这一结果是在诸多理想化假设后得到的，而且仅仅是Q大于1，实际中想要实现Q大于20有多难，不言而喻。

这里从三重积的角度做了一点分析，其他的诸如等离子体不稳定性、第一壁、氚增殖、氦灰等问题就不赘述了。

现在来说第二件事。我觉得仅从几则新闻报道就去评价托卡马克的运行水平毕竟有失公允，这里给大家推荐一个网站：http://www.tokamak.info，该网站记录了全世界历史上曾经建造的以及目前仍在运行的共226个托卡马克装置的信息。

网站的最后一个部分是托卡马克的世界纪录，这里可以看到离子温度（5.2亿度）、能量约束时间、聚变三重积的记录由JT-60U保持，聚变输出功率的记录（16.1MW）由JET保持，而最长的H模放电记录（101.2s）由EAST保持。

这里我们一方面要认识到差距的存在，但另一方面也没有必要妄自菲薄，毕竟JT-601985年开始运行，EAST2006年开始放电，起步晚了至少20年，能够取得这样的成就已经很了不起了，值得尊敬。

插点题外话，下面这张图显示了近50年来不同装置聚变三重积的变化情况 [8]。

应当说，这里的提升很大程度上归功于超导线圈以及高功率微波源和中性束技术的发展，夸张一点地说，现在的ITER和最初的托卡马克在本质上并无区别，只是装置更大、磁场更强、加热功率更高。但当这些技术发展缓慢时，如前面所分析，三重积的提升就会遇到瓶颈。

最后要说的是，可控核聚变可能会是人类能源的圣杯，但驾驭恒星的能量绝不是那么理所当然，圣杯也没有办法解决人类社会的其他问题。我们能不能实现人类文明的飞跃，最终取决于我们是否足够了解我们自己。

以上。

参考列表（基本概念可以在维基百科上查询）

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_energy_gain_factor

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/ITER

[4] Kenro Miyamoto, "Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion", Springer, 2005, pg. 62

[5] Alan Sykes, "The Development of the Spherical Tokamak", ICPP, Fukuoka September 2008

[6] Jeffrey Freidberg, "Plasma Physics and Fusion Energy", Cambridge University Press, 2007, pg. 51

[7] http://www-jt60.naka.qst.go.jp/english/jt60/project/html/history.html

[8] https://www.euro-fusion.org/news/detail/detail/News/50-years-of-lawson-criteria/

栉风沐雨四十载，薪火相传聚变梦。

说实话，在等离子体研究所（隔壁）呆了五年了。对这类大新闻，我也已从激动难耐逐渐变成见怪不怪了。或许，这也是中国强大的一种体现吧。

其实我是做聚变堆面向等离子体材料的，新闻图中些圈亮晶晶的钨金属装甲看到没？那里面就有我们实验室的成果（强行往自己脸上贴钨金）。

这次的突破主要在等离子控制方面，我也不算太了解（坐等大佬科普）。不过一下午收到了好几个邀请，还是写点基础知识，抛砖引玉吧。

• 为什么研究核能？

一个文明有多先进，很大程度上取决于这个文明对能源的利用效率。

远古时期对火的使用，使得我们脱离了茹毛饮血的原始社会。蒸汽机、内燃机的大规模的使用，则使高效利用化石能源成为现实，推开了工业社会的大门。

下一阶段的人类属于什么文明我不清楚。但我知道，人类若想要走出大气层进入群星之间，核能这个科技树是一定要点满的。

原因很简单，地球上没有任何能源的能量密度，能与核能媲美。同样体积的燃料，核能释放的能量，足足是化石能源的几百万倍。

一辆汽车加满油，也就跑个几百公里。但如果有一辆核能汽车加同样体积的核燃料，里程加起来可以绕地球好几...等等我算算...好几万圈了。

• 为什么不能光靠核裂变？

核能的来源是核子（包括质子和中子）间的强相互作结合能。一般认为铁核素 结合最紧密（能量最低）。因此，比重的核素分裂成两个较轻的核素时，反应往往能够放出能量，这类反应称为核裂变反应。

核裂变的过程通常属于链式反应，也就是一生二，二生四，四生八...这样的过程。只要核燃料浓度超过一定临界值，链式反应就能自发发生，因此实现起来相对简单，目前也已经有了较为成熟的商业化核裂变发电技术。

不过裂变技术虽然相对简单，但消耗的燃料往往只在极端环境下产生（例如铀等锕系元素一般产生于中子星合并过程），因此储量十分有限。此外，裂产物中往往存在大量的长半衰期放射性物质，因此核废料需要特殊处理以避免放射性污染。这些问题都限制了裂变堆的潜力。

• 核聚变好在哪，不好在哪？

与裂变对应的，两个比轻的核素聚集形成一个重的核素时，反应同样会释放能量，此类反应称为核聚变反应。

聚变有两点好：干净卫生、量大管饱。

聚变产物基本上是稳定的同位素，无辐射污染。少量的中子辐照带来的活化也很好处理，基本上可以认为是一种无污染的能源。

更重要的是，聚变燃料的储量是真的大。海水中平均每6420个氢中就能找到一个氘。氚虽然少，但实际聚变过程中并不被净消耗，而是以类似催化剂的形式循环利用。

2012年的全球年耗能约 J。照目前的消耗速度，地球上的氘让我们烧个几亿年，问题是不大的。

但核聚变也有一点不好，难，贼TM难！

两个原子核聚变在一起，靠的是强相互作用力。这个力的作用范围非常短，因此要把两个原子核凑得非常近才行。

喂喂，两个原子核都带正电，那是同性啊。

咱又不是同性恋，强行凑在一起多难受啊。

同性电荷之间长程的库伦排斥力，使得核聚变的反应条件异常苛刻，要把反应物加热到千万乃至上亿摄氏度，才能通过热运动硬生生克服库伦斥力撞在一起，发生聚变反应。

所以，怎么把聚变燃料烧到上亿度的同时，又不把锅底烧穿，是一件很有技术含量的事情。

上亿度的高温当然没有任何材料能承受。所以，科学家们另辟蹊径，选择用磁场来隔空控制因高温电离的燃料，使其不直接接触反应堆容器，这样就不会把锅底烧穿拉。

这种聚变方式，称为磁约束核聚变。

• 温度、时间、密度

杀头的买卖有人做，赔本的生意没人干。

现在的技术，并不是达不到引发核聚变的要求，而是不划算。

聚变是有成本的，把燃料加热到上亿度要耗能，维持上亿度的高温也要耗能。如果这时候聚变产生的能量低于消耗的能量，那就只能是赔本买卖赚吆喝了。

通常，等离子体温度、密度、以及约束时间越高，能量产出越高，越容易实现能量净输出。

去年EAST在高约束模等离子体运行时间上，创造了101.2秒的世界纪录。而这一次，很重要的一个突破就是将等离子体中心温度提高到了1亿度。

原等离子体所所长李建刚院士曾说，希望能在有生之年里，看到一盏由聚变能点亮的灯在中国大陆亮起。

或许这一次的突破，让我们离点亮这盏灯又更近了一些。

另外，听说爆照能涨粉？

你看我这头，锃光瓦亮，像不像一个小太阳？

技术细节我这个外行凑个热闹随便说一下吧。

1亿度约等于10 keV，等离子体储能300KJ，所以等离子体至少含有2*10^20个离子，单位体积辐照能量损失功率大概 10^14 W/立方米（维基的公式瞎比算的，大概有两个数量级的误差吧，我觉得其实几十年前的这个Lawson Criterion公式可能是很有问题的）。

容积（自己算的，约有50%的误差吧）10立方米，加热功率10^7 W，单位体积加热功率10^6 W/立方米 远小于 损失功率。

这种条件下，束缚时间不会特别长，所以这次报道并没有说明束缚时间，因为不会超过一秒，像我这种外行肯定觉得没劲。

一亿度并不难实现，之前也有别的堆达到过，和当年的100秒一样，关键的不是这两个单独的数字，其实是达到这两个数字时，其他的条件，比如让上一次的100秒变得耀眼的是H-mode稳态长脉冲高约束状态。而这一次，报道中隐含的等离子体密度达到了 10^19 每立方米，结合温度来看，内部有100个大气压强左右，同业标准来看，就很厉害了。

随便算一下反应速率吧，动能10keV，等离子体密度10^19 每立方米，聚变碰撞半径10^-15 m，反应速率10^-5每秒。这种反应速率下，每秒会有10^15个离子发生聚变反应，每个反应释放17.6MeV能量，总聚变功率2KW。（我这个外行可能算的不对，大家帮我看看吧，但是这种条件下加热绝大部分靠外部提供应该是现状。）

我觉得下一步的关键可能还是在于如何提高等离子体的压强，关键可能还是在磁体，不过，我觉得美国佬几十年前的理论所指导的方向可能是有问题的。

当然，要实现实用的可控核聚变以前的理论啊经验啊公式啊肯定是需要不断完善的，困难肯定不仅仅是在第一壁材料方面，各方各面都有很困难很困难的地方，所以我们需要建实验装置啊，3亿人民币的EAST预算，我觉得我们还是承担的起的，等相关领域的人才再多一些，我们再多建几个EAST同步进行实验大家应该不会反对吧？

所以，我还是来传一下“聚变能教”吧。

以下数据搞自马普所等离子体物理 Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（Fusion basics）

以经济和成本来考量的话，化石燃料还是够烧的，成本还是够低的，足够支撑未来一百年的发展，不过，大家都不想生活在光秃秃的地球上吧？

于是，我们需要限制大气中二氧化碳的浓度，这样，我们的环境才不会因为我们的活动变得不适宜我们自己生存。

“鱼唇的”马普所只单独列了中国的数据（和西欧数据并列），马普所开始向中科院驻德国研究所转型了呢，嗯，这是个好事情诶。

这个图表示，至少2070年开始按照各种协议的要求，中国的聚变能就该并且能开始并网发电了，并，网，发，电，意味着技术已经成熟。世界上的专家们基本认为中国到2070年一定会具备聚变发电的实力，哦，并且这个和平利用聚变能的技术西欧和中国是共享的。

所以他们自己也从2070年开始使用聚变能发电。

2070年也就是50多年后，这些数据基本上和中国的能源计划是匹配的，也说明，制定中国能源计划的那帮人专业素质其实是过硬的：中国电力发展“十三五”规划，核电中长期发展规划，国家重大科技基础设施建设中长期规划，其中有一句话说的很硬气：“保持我国在磁约束核聚变研究领域的先进地位”，谦虚的中国人说出这句话，一般表示，老子天下第一。

嘛，马普所的这些报表看看就好了。回忆一下之前的数据，再看看这张。

发电量的图结合国民生产总值的图，他们在暗示，到本世纪末，中国总体的生产效率依然比不过西欧，消耗更多的能源而获得更少的财富，欧洲海盗们亡我之心不死啊哈哈哈。

如果中国率先掌握了发电效率可媲美火电，但发电成本100倍于火电站的可控核聚变装置(需要频繁更换内壁材料，结构极复杂，所用材料加工难度极大，或含有一些部件必须使用极稀有的材料，大约相当于我们现在正在研究建设的装置)，目前来看，大概到2035年前，中国大概就能建成这样的实验用可控核聚变发电站。
中国成为第一个完成这一阶段的可控核聚变装置建造的概率其实很高。
到了2035年，美国大概又经历了两次大规模经济危机，债务崩溃，实力与信用已经不足以维持美元霸权，国际美元不断回滚回国内，制造业恐怕到那时也扶不起来，因为经济崩溃，美国对能源的需求也会急剧减少，而2035年，无论如何新能源技术也已经突飞猛进，美国不再对聚变能利用有强烈兴趣。不过，即使美国本科生入学人数自2010年起便已经开始逐年下跌，人口直线上升，美国预计完成这一阶段的可控核聚变装置的建设也一定会早于2099年。
再说欧洲，欧洲政府和人民对新能源的呼声很高，对可控核聚变装置也非常感兴趣，不过随着欧洲逐渐走向分裂，这种要统合全欧洲力量才能逐步推进的赔钱玩意，恐怕会在难民问题冲击高福利社会时所导致的巨额赤字甚至国家濒临破产的环境下退到一旁，让步于民生，和其他见效快，收益高的领域。ITER原计划于2035年实验性运行，不过以欧洲现在的局势和以往各种重大项目的尿性来看，2035年实验性运行恐怕会推后。

上链接是谷歌地图上的ITER项目所在地，位于法国东南部一个2009年人口还不到一千人的小镇，不通火车，有一个超小的机场，图片中可以看到最简单最底部的部分已经建好摆上了，但是场内的吊车还没有安装，完成这些建筑用了5年，但项目本计划要在2019年完成建设，就目前的进展来看，寡人深表担忧。ITER项目总预算也从2006年11月的50亿欧元，涨到了现在的130亿欧元。
所以，如果中国按部就班的搞建设，应该可以成为第一个完成这一阶段可控核聚变装置建造的国家，但这一事件本身并不会对全球局势造成特别的影响，而这件事情背后所隐含的中国自2018到2035年之间的发展情况才是关键，2035年，中国如果按部就班地第一个完成了这个装置，说明美国对中国制造2025的遏制完全失败了，那么以现在中国实力的增长情况来看，中国会进一步成为世界的中心，美元体系会逐渐退出国际舞台，美国的个人主义意识形态会逐渐被中国特色集体主义所影响，中国的这一阶段突出重围的发展会给其他国家提供借鉴，人类命运共同体会逐渐清晰，进而从概念落实成为新的国际秩序，国际合作开始取代国际斗争，鼓励节俭和复用取代鼓励浪费，“一带一路”已经建成并开始发挥国际交流的作用，国际资源开始更合理的调配，富人的好生活还是那么好而穷人的生活则会越来越好，中文期刊的影响因子和国际认可度会进一步提升，会有更多人开始学习中文和中华文化。这种实验性的装置本身并没有实用的发电价值，其最大的价值在于技术验证以及提供科学平台。不过这种实验装置的完成，意味着中国的能源结构调整已取得阶段性胜利，意味着即使人口如此众多发展如此迅猛也可以与环境保护共同进步。
这意味着，中华民族这个名字名不虚传。

在上述情况的基础下，中国产业结构再继续进一步优化，以上一阶段的装置为平台（2035年），花15年时间，在各相关和非相关的学科上下一点苦功夫，第三阶段的可控核聚变可实用的电站便可期待在2050年前后问世，到这一时期，我认为中国会更愿意与各国分享这一技术，于是，世界能源问题有望在2050年后到2099年前彻底解决，同时解决的还有发展权的问题，因为发展不再意味着污染环境，以辛勤劳动换取美好生活的思想逐渐被所有文明接受，人们开始意识到只要愿意劳动日子就能在自己手中一天天过好，国际扶贫团队的行动则切实改变了所在地的社会面貌。2025年之后洲际公路、洲际高铁开始在各个大陆建设联网一定程度打破了国界，以此为契机，世界的文化也开始大范围交融并互相影响，由于人工智能的大量出现，人类文明开始更加倾向于创新和思考，哲学和艺术也会进入空前繁荣时期，人类的精神进步赶上物质进步，新的思维网络开始被人类接受，更多人愿意将自己的思维直接接入互联网，尽管互联网开始具备了匿名监视匿名提醒非记录的功能，当然人类总体也更加自律更加文明。

人类社会发展是一个不以人的意志为转移的自然历史过程。人民，只有人民，才是创造世界历史的动力。
人类个体的弱小使得社会进一步发展必然需求社会协作。
迈向共产主义，要求社会在向集体主义转变的同时，也能够且必须保证个人的解放和自由全面的发展，因此不必过度担心进入社会主义会导致个人自由的缺失。

中国正在被人民和历史推向社会主义中级阶段。

少年，你知道可控核聚变吗？

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  wei-liu-ci-gu-han 网友的相关建议: 
      

辽东的问题是在万历的手上直接爆发的，但是万历却没有在自己去世前解决。最终辽东就变成了大明的一个伤口，让大明不断失血。

如果能够遇到嘉靖那种皇帝还好，偏偏遇到了崇祯帝。刚愎自用，还有点儿死脑筋。本来只是伤口出血硬生生被搞成了大动脉出血。

所以啊，一代人做一代人的事情，因为你还真不知道你的后人是什么货色。

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