如果核聚变研究成功，电费会多少钱一度？几分钱还是不要钱了？ 第1页

我估计居民用电价格变化可能不如工业用电价格变化大。

既然这个问题突然热了起来，那就借这个热度普及一波，也不枉来了知乎。不愿意看的，可以点击目录跳转到原答案。

可控核聚变的来龙去脉

可控核聚变的基础理论

从最根本上说，爱因斯坦的狭义相对论推导出来的质能公式 E = MC² 揭示了质量和能量可以互相转化的本质。质量就是能能量，能量就是质量。当一个物体以接近光速的速度运动时，其动能就一直在增加，因此其质量也会相应的增加。速度越接近光速那么质量就越趋近于∞。

人们发现较重的放射性元素的原子随着衰变变为较轻的原子同时伴随着质量亏损，而较轻的两个原子合并成较重的原子同时也伴随着质量亏损。即 两个氢原子质量 > 一个氦原子质量。这亏损掉的质量会以能量辐射的形式散逸到空间中，能量的大小就可以通过质能转换公式计算出来。释放出来的能量(以电子伏特eV作为单位)是巨大的，因为亏损的那一点点质量乘以了光速的平方(10的16次方量级)。

无论是氢弹还是可控核聚变，都是看上了这一点。理论上，核聚变能够转换的能量大约是反应物质质量的0.7%左右。这个转化率已经很恐怖了。如果是100% 的转化率（反物质湮灭）那么一个人的质量（约75kg）转化的能量足以毁灭一个超大型城市。

什么样的条件可以发生可控核聚变并用来发电呢？

判断条件被总结为劳森判据，满足了劳森判据才有持续的聚变反应发生，能够产生聚变能。劳森判据被认为是核聚变的定性标准。

人们根据劳森判据推算出了可控核聚变要达到的反应条件，人类的工程目标就是制造能够满足这个反应条件的设备。人们将劳森判据总结为一个量，即聚变三重积。聚变三重积就是指反应物质密度，反应温度和约束时间的乘积，也就是n T τ 三者的乘积。大家普遍认为当聚变三重积必须大于10的23次方才是满足了劳森判据。

有了劳森判据，也就意味着实现可控核聚变的工程难度非常的高，反应环境需要高温高压，温度高到没有任何容器可以直接盛放的那种。

可控核聚变的工程路径

实际上，现在人们也不是完全地清楚哪一种或者哪几种工程路径可以实现可控核聚变。目前制造出工程实验设备的有：

• 美国国家点火装置，这东西被设计出来是用来进行激光模拟核聚变制造核武器的，初心不是为了发电。
• 仿星器，采用外部磁线圈产生的扭曲磁感线对内部运行的等离子体进行约束的一种设备。这种设备制造工艺复杂，但是因为是扭曲磁感线制造的磁场，比托卡马克在约束方面有优势。德国在这个赛道上目前领跑，最大的仿星器WX-7 2015年在德国建造完成。
• 磁镜聚变装置，该装置是一种直线型磁约束核聚变装置，端部磁场比中间高，利用等离子体粒子在高磁场端部反射的特性约束等离子体的装置。
• 托卡马克装置，这是一种在圆形中空腔室内施加强磁场的一种反应装置。目前托卡马克装置工程成熟度最高，研究国家最多，是主要工业国家普遍认为有可能实现可控核聚变的装置。目前我国走在了前列。

然而，以上的几种设备没有任何一种真正实现了可控核聚变，托卡马克仅仅是成熟度比别的高而已。

在上世纪八九十年代，欧洲、美国、日本等发达工业国家的科学家表示要合力建造一个大型托卡马克实验装置来共同研究可控核聚变，这就是ITER 国际热核聚变实验堆。而后中国、印度等国加入。我国目前是领导者，2020年这个ITER 计划在经历了以年为单位的延宕之后，终于开始组装了。

而后，我国又在2021年开始了中国聚变工程实验堆CFETR计划。

燃料

目前人们认为能够实现可控核聚变的燃料主要是氢的同位素氘和氚。普通氢原子是一个质子一个电子；氘是一个质子一个电子和一个中子；氚是一个质子一个电子和两个中子。

还有提出使用氦的同位素氦3 (氦的同位素)来实现反应的。但是那个太遥远，工程难度太大。氦3主要都是太阳自身核聚变产生的，是随着太阳风吹过来的。但是地球有磁场和大气层的保护，因此自然界氦3非常少。月球因为大气太稀薄也没有磁场，反而积蓄了很多太阳风吹过去的氦3。去月球采集氦3拿回地球做燃料，这事儿现在谈还是太遥远了。就算是地月往返很方便了，月球随着氦3的开采导致质量显著下降也就是引力下降，进而影响地球潮汐、自转甚至公转。这种行为导致的地球环境改变结果现在根本算不清。另外采用氦3的聚变反应温度要冲到2亿摄氏度以上，工程难度更大。属于下一代核聚变的研究方向之一。

在这里要纠正一个谬误就是：可控核聚变的燃料取之不尽用之不竭，因为氢的同位素氘在海水里面大量存在(含量约为十万分之三)，所以能源取之不竭。实际上不是这样的，氘有的是，但是氚在自然界几乎没有。氚的半衰期只有13年，地球演化历经数十亿年，氚在自然界可以认为含量是零。人工制备氚的价格，一公斤要上亿元人民币。

因此，可控核聚变要顺便解决氚的自持或者大量廉价生产氚的问题。

然而实际情况是，因为氚过于昂贵，目前全世界的设备做实验的时候都没有用氚，日常是用氢和氘的混合物制备等离子体模拟氘氚反映的情况。

托卡马克的工程难度

托卡马克的工程难度是巨大的，即使到现在仍然有无数的工程难题没有克服。详情参见我在下面这个问题的答案。

托卡马克装置是一个像甜甜圈，但是内部腔室中空的结构。在腔室外部使用大型的、多方向的电磁铁。在中空的真空腔室内注入高温等离子体，由于等离子体是原子核与核外电子相对分离的状态，所以等离子体带电，这样就能被腔室外部的电磁铁产生的电场控制和约束住。等离子体流在腔室内高速运动旋转(呈螺旋态)。高速旋转的氘-氚等离子体在满足条件(劳森判据)的情况下有一定的概率实现核聚变反应。

氘-氚等离子体反映的概率是通过反应截面来确定的。反应截面就描述了两个原子核碰撞产生聚变反映的概率。

现在各种报道里面说的放电，其实并不是托卡马克产生了电能。而是指等离子体放电。等离子体作为物质的第四态，是自由电子、离子和中性物质的混合体。虽然宏观上整体呈现电中性，但是微观上电子是自由的，所以有电磁场。当前这个阶段说某个托卡马克装置"放电"，其实是指其达到了设计要求产生了等离子体。

理想的托卡马克装置

我认为理想的托卡马克反应装置应具备以下特点：

1. 在高约束模式(H Mode) 下运行
2. 能够实现自动的加料和"排渣"(通过偏滤器)
3. 实现氚自持，即反氘氚反应的氚在被消耗之后会通过副反应补充进来等量的氚，不需要持续添加氚作为燃料
4. 较短的约束时间与较长的反应时间，即通过大量的能量在很短时间内约束住等离子体开始进入核聚变反应阶段。反应时间应该足够的长，是的核聚变反应能够自己维持进行一段时间。

原答案

现在回答这个问题还太早。

因为现在在建的托卡马克装置没有一个是可以商用或者准备商用的。ITER 预计在2050年前后做完实验之后拆除掉，CTFER 最终也将是被拆除的命运。

宏观上说，影响电费价格的是这个托卡马克装置的Q值，也就是输出功率与输入功率的比值。Q值越大意味着成本越低。但是现在还没有哪个托卡马克装置正式地在实验环境中突破1。日本的JT-60 号称是达到了1.25 但是那是理论测算得出的，而且这个装置现在拆了。虽说没突破1，但是也不用太悲观，前沿的技术都已经上输出功率很接近1了。

ITER 的实验目标是Q 值达到25~30。匡算下来大约是输出功率达到输入功率的30倍才能在计入建设和运营成本的情况下达到收支平衡。

如果想让电费便宜到跟不要钱似的，Q值就要上一个数量级，达到100以上。

从工程角度上说，也并不是Q值越高越好。因为一个托卡马克装置的输出功率基本上是在它建设之初就基本上确定了的。影响聚变功率的主要是聚变三重积。聚变三重积是指反应物质密度、反应温度和约束时间的乘积，也就是n T τ 三者的乘积。 而决定反应物质密度大小、以及磁场布局的是反应截面的构型和大小，俗称大拉长。一旦一个托卡马克的大拉长确定了，那基本上反应功率就确定了，无法再提高。

提高Q值就意味着要提升大拉长，提升大拉长就意味着更大的工程建设难度，更强的磁场等等，可能会导致建设成本奇高。因此，需要找到一个平衡点，即在成本可控的范围内产生能够有经济效益的功率。

现在连个商用堆的设计都没影儿呢，讨论发电成本实在是太早太早了。

先说结论，人工核聚变凭什么比太阳能还便宜?太阳能光伏发电免费了吗？

这世界就没有免费的午餐。在核聚变上依然如此。

核聚变控制材料不要钱吗？核聚变发电机组不要钱吗？核聚变本身只会产生能量，不会产生直流或交流电，传输的线缆不用钱?维护设备不用钱?不需要人员?工人都得研究生打底的学历，这些人吃核聚变?

实际上太阳就是核聚变，光伏发电就是核聚变转换电能，光伏发电不要钱了？便宜了？无污染了?

人工核聚变只是解决了太阳不是二十四小时光照的问题。会让整个光伏发电产业不在起伏不定降低气候日照时间影响。

真正降低成本的是远距离电力输送的技术，电力存储技术，设备老化维护更换等，这几个才是电力成本大头。

不可能。

如果能做到这一点，说明房地产的泡沫还不够大，不需要破裂。

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这是这些天看到的各种提案里面难得的我无条件支持的。

非常好。

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这是我看到的最准确的总结。

总的来说，就是中国的高考相对公平，所以性价比极高，所以其他活动都可以适当让步。

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