为什么实现可控核聚变永远都是「还要五十年」？
你想想，我们平时烧煤、烧天然气，那是什么？那是碳原子和氢原子被“拆散”了，释放出能量。而核聚变呢？它是比这更深层次的能量释放，是把原子核“拼”起来。想想原子核里面是什么？是质子和中子，它们都被强大的“核力”紧紧地绑在一起。质子都带正电，彼此之间有巨大的斥力，要把它们硬生生地塞进一个狭小的空间里，这需要何等恐怖的能量？
这就是第一个大门槛：点火条件。
要让原子核聚变，我们得模拟太阳的核心环境。太阳之所以能持续发光发热，是因为它那里有巨大的引力，把氢原子压缩到极高的密度，同时温度也达到了几千万甚至上亿摄氏度。在这种极端条件下，原子核的动能足够大，能够克服彼此之间的电斥力，近距离接触，然后强核力就会“接管”，把它们“粘”在一起，释放出惊人的能量。
那在地球上，我们怎么才能达到这个“太阳核心”一样的条件呢？
这就要说到我们常常听到的几种“路线图”了。
1. 托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）：用磁场“囚禁”燃料
这两种是目前最主流的“磁约束”方式。想象一下，我们要把一个上亿度的等离子体（就是被高温电离的原子气体）放在一个容器里。要是用实体容器，早被烧化了。所以，我们就得用“磁场”来当这个“墙”。
托卡马克： 它的形状就像一个甜甜圈（环形）。它用强大的“环向磁场”和“极向磁场”配合，把高能等离子体“推”成一个螺旋状的磁场线圈，让它在里面转圈圈。优点是技术相对成熟，已经做出过一些有成果的实验装置。
仿星器： 它的形状比较复杂，不是简单的甜甜圈，而是扭曲的，通过精心设计的外部线圈产生的复杂磁场来约束等离子体。优点是理论上不需要内部电流维持，更稳定，不容易出现“不稳定性”导致等离子体“逃逸”。
问题在哪里？
等离子体的不稳定性： 即使有磁场，上亿度的等离子体依然非常“淘气”。它会产生各种各样的“波”和“湍流”，就像水中的漩涡一样，会让等离子体在磁场里“晃动”和“泄漏”，损失能量，而且会轰击装置壁。控制这些不稳定性，让它“乖乖”待在磁场里，是个巨大的挑战。
磁场的强度和精准度： 要想有效地约束住等离子体，需要的磁场强度非常大，而且磁场线的分布必须极其精确。这需要超导磁体，但建造和维护这些巨大的超导磁体本身就是一项工程奇迹，成本高昂，技术要求极高。
能量输出与输入的平衡（“增益因子”）： 简单来说，就是要让核聚变产生的能量，比你加热等离子体、维持磁场、运行设备所消耗的能量要多。而且，要多得多，才能实现持续发电。我们目前很多实验装置，消耗的能量比产生的能量还多，或者勉强持平。要实现“净能量增益”，并且要高到能商业化，还有很长的路要走。
材料科学的极限： 反应堆的内壁会直接暴露在高温等离子体和高能中子辐射下。我们用的材料，比如不锈钢，在这样的环境下很快就会被“轰击”得千疮百孔，变得 brittle（易碎），甚至被烧蚀。我们需要开发能够承受上亿度高温、高能粒子冲击和长期中子辐射的特殊材料，这对材料科学提出了极高的要求。
燃料的引入和能量的提取： 如何稳定地将燃料（通常是氘和氚）引入反应堆，并有效地将聚变产生的能量（主要是高能中子）提取出来，转化为可用的热能，这也有很多工程和技术细节需要解决。
2. 惯性约束（Inertial Confinement Fusion ICF）：用激光或粒子束“挤压”燃料
这条路线则走的是另一条路：不像磁约束那样“慢慢”把等离子体约束住，而是用极短时间内极强的能量（比如高功率激光）从四面八方同时轰击一个包含氘和氚燃料的微小颗粒。
原理： 就像用一个强力的拳头瞬间把一个沙袋捏扁，沙袋内部就会因为压力和密度急剧升高而发生聚变。激光的能量会把颗粒的外层烧蚀掉，根据“作用力与反作用力”的原理，向外喷射，从而产生一个巨大的向内挤压力，把里面的燃料压缩到比固体密度高几百倍、温度达到几千万甚至上亿度，从而引发聚变。
问题在哪里？
激光的功率和效率： 要实现点火，需要的激光功率是天文数字，而且要用极高的精度和同时性。目前的激光技术虽然很强大，但效率不高，而且制造和维护这么强大的激光系统成本极高。
靶丸的制造和精度： 那个被激光轰击的微小燃料颗粒（称为“靶丸”），需要制造得极其均匀、光滑，并且内部的密度分布也要非常精确。一点点不对称，就会导致爆炸时不均匀，聚变效率低下。制造这种高精度的靶丸，本身就是一项精细的工程。
“点火”的重复性： 要实现持续发电，你需要每秒钟发生几十甚至上百次这样的“压缩”和“爆炸”。如何快速、高效、稳定地重复这个过程，是最大的挑战。
能量的提取和设备寿命： 同样，如何从爆炸中有效地提取能量，以及设备（比如激光器、反应室）如何承受这种高强度、高频率的冲击，也是亟待解决的问题。
更深层次的原因：
除了这些具体的技术难关，还有一些更根本的原因让“还要五十年”变成了一个似乎永恒的梗：
科学上的“探索未知”： 我们不是在改进一个已经成熟的技术，我们是在探索一种全新的能源产生方式。很多基础科学问题，比如等离子体物理的某些方面，我们还没有完全理解透彻。很多时候，我们是在“摸着石头过河”，边做边学，边试边改。
工程上的“巨大飞跃”： 哪怕我们解决了核心的物理问题，将“科学发现”转化为“工程应用”，也需要跨越巨大的鸿沟。我们需要设计、建造、运行能够持续、安全、经济地产生能量的巨型装置，这涉及材料、工程、控制、安全等方方面面的协同。
资金和政治的博弈： 一个巨大的能源项目，需要巨额的长期投入，而且回报周期可能很长。资金的稳定性，政策的支持，国际合作的有效性，都会影响项目的进展。有时，科研的重点也会随着能源政策和全球需求的变化而调整。
“下一个‘技术奇点’”的期待： 每次有新的理论突破或者实验进展，人们都会燃起希望，觉得“这次可能快了”。但核聚变问题的复杂性，意味着总会有一些新的、预料之外的难题出现，把“快了”变成“还要多久”。
所以，当人们说“还要五十年”时，可能不是说我们没有任何进展，而是说距离真正实现“商业化、可大规模推广”的核聚变发电，还有很多非常困难、需要时间积累和突破的挑战。每一次的进展，都是在一点点地啃下这些硬骨头。
打个比方，这就像造一座比珠穆朗玛峰还高的摩天大楼，而且这栋楼还需要自己产生能量来维持结构稳定，并且抗住随时可能爆发的“小地震”。而且，我们还在摸索怎么设计这座楼，材料也都还没完全造出来。
希望我这样解释，能让你觉得不那么“AI”了，而是更接地气地感受到了核聚变这个“终极能源”背后，是多么宏大和艰难的征程！
网友意见
“永远的五十年”到底从何而来
可控聚变的物理与工程难度众所周知，而“聚变发电离应用永远有50年”则是中文互联网上广泛流传的桥段。但聚变能归根结底是一个严肃的科学与工程问题，远非这种娱乐意义远大于实际内涵的笑料所能概括。因此本人基于在中英文互联网的简单调查做此文章，希望澄清这一广泛传播的悲观预期在经济以及社会层面，而非严谨的物理与工程层面的来源。
1. 曾经的黄金年代
在几乎所有关于聚变能的导论课程中，都会提到这样一张图片
图片的纵轴是托卡马克等离子体的三重积，是磁约束聚变的重要参数，一般认为当这一指标达到 时将实现能量的收支平衡，即等离子体吸收能量等于聚变释放能量，而达到 后则可以实现商用发电。
基于托卡马克装置的磁约束技术在上世纪六十年代由苏联率先发明，此后西方阵营快速跟进。在三十年的你追我赶间，聚变三重积的提升速度堪比著名的“摩尔定律”。在八十年代四大托卡马克（即JET，JT-60/JT-60U，D-Ⅲ/D-ⅢD，TFTR）陆续建成后，甚至一度超过能量收支平衡的临界值。最终在1997年JET托卡马克的点火实验中达到了Q=0.65的效果，距离商用发电只差一个量级。
如果聚变能的发展趋势可以如此图中的趋势一般延续的话，在一到两代装置之后，人类将触摸到可控聚变商用发电的门槛。
然而很不幸的是，直到2020年，这张图中代表计算机的红线已经超出了坐标上界，聚变能领域依然没有任何足够惊人的进展。而上世纪八十年代建成的四大托卡马克直到今天也依然作为主流装置在持续运转（只有TFTR因为跑了太多氘氚实验退役了），暂时还没有多少要被下一代装置替代的迹象。
2. 命途多舛的 ITER 项目
在四大托卡马克陆续建成后，对下一代托卡马克的预研随即开始，1985年，刚刚上位的戈尔巴乔夫主动向里根示好，当时签订的一系列合作协议中 ITER（即国际热核聚变实验堆计划）便榜上有名。
ITER装置将由苏联、美国、欧盟、日本四国参与建造。在当时的估值下，这一装置将耗费50亿美元，花费十年预研，十年建造。而建成之后再用十年进行等离子体物理实验，最后十年持续性进行氘氚聚变，完成Q=5，输出聚变功率 500MW 的目标。
也即是说，如果一切顺利的话，ITER 本应于2005年左右建成，接替当时已经老化的四大托卡马克，在那张三重积与摩尔定律的对比图上继续指数增长的神话，将人类引向聚变能。
这是当时的丰满的理想，而现实则是另一回事了。
随着苏联于1991年解体，当时签订的合作项目陆续被搁置，ITER 项目也在此列。不过即便苏联退出，其预研过程也依然在继续，最终于1998、1999年凝结为一篇在聚变领域包罗万象的综述[1]，详细解释了磁约束等离子体的性质、电流驱动、波加热与中性束加热、等离子体诊断、燃烧等离子体物理等诸多领域的基础知识与最新进展，至今仍是入门这一领域的最好教材之一。
在那个时候，乐观的声音仍然普遍存在于聚变领域中。如果经费保持充足，ITER 将于基本物理与工程问题敲定后开始建造，并在2010年之前投入运行[2][3]。
工程设计看起来并没有什么问题——最初的设计在2001年就完成了[4]。
可是在此之后的经费缺乏与国际政治相关的反复扯皮严重拖慢了 ITER 的进度（美国甚至一度退出这一计划）。对聚变领域而言这是一个令人无比心酸的事实，从维基百科的相关词条中可窥见一斑。
2007年，人们预期面临诸多物理与工程之外的问题的 ITER 装置将于2016年完成建造[5]。
2009年，这一预期变为2018年[6]。
2012年，这一预期变为2019年[7]。
2016年，这一预期变为2021年[8]。
到2017年总算是有了一个时间表[9]，建成时间被计划在2025年12月。好消息是直到今天这一计划也没有变动[10]，希望ITER可以于2026年前如约竣工。
“聚变距离实际应用永远有五十年”或许只是个科学家们的自嘲，以及被网友广泛传播的段子；但“ITER距离建成投入使用永远有十年”却是真实存在的，基于一系列与物理和工程并没什么关系的原因的，无奈而辛酸的现实。
3. “永远的五十年”在互联网上的存在
马前卒曾经用一段关于火车盒饭的叙述说明很多“传统”实际上可能只存在了几十年。而在网络时代，很多被人认为长期存在的 meme 实际上流行的时间则可能短得超乎想象。
所幸搜索引擎提供的时间限定功能可以让我们一窥曾经的互联网环境，进而澄清一些关于此类meme 的现实。
《环球科学》杂志是核聚变技术相关科普在中文网络中的主要来源之一，《核聚变悬疑》一文刊登于该杂志的 2010 年 4 月号，而这个时候被引用的段子还是“核聚变看起来永远需要二十年[11]”。这篇文章后来被各种营销号广泛转载，在2010到2015年，大部分科普中使用的也都是这一形容。
不止是中文互联网，英文互联网中这个数字也同样可以是 25[12]，30[13] 或 50[14][15]。搜索了几次之后的个人感觉是近年来 50 年的说法被用到的次数比较多，而其它数字则不时出现，可见这种说法应该有一些讹传的成分，更多是一个圈子里的梗而没有什么可靠的信息源。
至于“永远需要五十年”在中文互联网中的出现，则最早可以追溯到 2015 年在百度知道上的一篇文章[16]。当然，并不能排除此前也在某些论坛或群聊中存在此种说法，但贴子已经消失或不能被搜索引擎抓取的可能。
总而言之，中文互联网中“永远50年”的段子实际上远比大家想象的年轻。而英文互联网中这类形容虽然可以被追溯到九十年代，但最初大家提到这个问题的时候所带有的态度甚至是乐观的。直到步入新世纪，聚变领域的发展显著慢下来之后，大家说出这句话时的心情才逐渐变得沉重。
4. 五十年前
让我们把时钟拨回到五十年前。
1970年，第一颗原子弹爆炸于二十五年前；第一批关于聚变能的机密资料解密于十四年前[17]；第一台托卡马克建成于十二年前[18]。彼时研究聚变的科研人员很多都是早些年里各国绝密的核计划的参加者与子项目负责人，甚至曾经亲手缔造过骇人听闻的巨型爆炸，聚变能这一学科也更多被视作核工程，而非等离子体物理的相关方向。
可以说，那时的聚变能作为一个学科与工程方向仍然相当年轻，研究者们难免将自己面对的问题理解的有些简单，甚至经常提出一些现在看起来非常天真的设想。
而在当时的视角之下，虽然聚变能工程困难重重，但人类正在这条道路上飞速前进着。
- 1958年，第一台托卡马克装置T-1建成
- 1962年，苏联科学家第一次在TM-2装置上观测到强磁场导致的约束改善
- 1968年，T-3装置中的等离子体打破了Bohm输运极限，随后托卡马克装置成为聚变方向的主流装置
- 1970年，首次在T-4装置的氘-氘聚变反应中观测到中子，标志着人类第一次在磁约束装置中实现核聚变。在这时，人类已经站在了第一部分提及的那张图片的左下角。
- 1973年，在T-3装置上首次实现微波辅助加热，将电子温度提升到点火范围
- 1978年，在PLT装置上通过中性束注入首次将离子温度加热到点火范围
- 1978年，第一个全超导托卡马克T-7投入运行
在整个七十年代，聚变方向的氛围极度乐观。托卡马克中的等离子体参数节节攀升，温度、密度与约束时间在不同装置中分别接近了点火范围，这给物理学家们带来了非常乐观的预期——只要将这些装置的特征结合在一起，就有希望实现聚变点火。
换句话讲，物理学家们在七十年代末尾曾（自认为）看到过聚变能的曙光[19]，而在那时，聚变能研究步入公众视线才仅仅二十年。
那么，一名记者在七十年代对一名从事聚变能研究的物理学家问起聚变能的未来，后者会向前者许诺一个满是聚变堆的21世纪，也就并不是一件多么难以理解的事情了。
参考
- ^ITER physics basis https://iopscience.iop.org/issue/0029-5515/39/12
- ^ https://issues.org/stacey/
- ^ 同时，这篇文献也是互联网上最早出现的，使用了“永远五十年”的形容的文章之一
- ^ http://web.archive.org/web/20050713002252/http://en.wikipedia.org/wiki/ITER
- ^ http://web.archive.org/web/20070605030424/http://en.wikipedia.org/wiki/ITER
- ^ http://web.archive.org/web/20090226194813/https://en.wikipedia.org/wiki/ITER
- ^ http://web.archive.org/web/20120620175306/http://en.wikipedia.org/wiki/ITER
- ^ http://www.wuli.ac.cn/fileup/PDF/2016-2-88.pdf
- ^ http://web.archive.org/web/20170602110036/http://www.iter.org/construction/construction
- ^ http://www.iter.org/construction/construction
- ^ http://tech.sina.com.cn/d/2010-07-09/00454404153_4.shtml
- ^ https://spectrum.ieee.org/energy/nuclear/holy-grail-selfsustaining-fusion
- ^ https://www.reddit.com/r/askscience/comments/844ilz/its_said_that_fusion_power_is_always_30_years/
- ^ http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6158040.stm
- ^ https://ocw.mit.edu/courses/nuclear-engineering/22-081j-introduction-to-sustainable-energy-fall-2010/lectures-and-readings/MIT22_081JF10_lec15b.pdf
- ^ https://zhidao.baidu.com/daily/view?id=3502
- ^ https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0029-5515/50/1/014003
- ^ 指苏联 T-1 托卡马克
- ^ 这种乐观预期的直接结果就是当时各国斥巨资建设的四大托克马克，而随后出现的严重的湍流问题（以及冷战结束后的资金缺乏）则导致了蔓延至今的悲观情绪
之前有答主提到2035年cfetr点火。需要强调的是点火不意味着能量正输出，也就是净发电。
实际上我个人认为这个时间是极度乐观的，需要解决的问题太多，甚至可以这么说目前没有一种材料能保证用在聚变堆上不出问题。包括氚自持在内的一堆问题都在等待解决。
另外，现在的聚变堆虽然叫人造太阳，但是实际上距离太远的氢氢核聚变还差的远，还依赖氢同位素，尤其是氚。
还有一点，核聚变本身虽然理论上是干净的，但是聚变产生的14MeV中子会诱发材料中多种核嬗变导致放射性同位素的生成，因此并不是说聚变堆能点火就到了干净能源时代了，这还有很长的路要走。
至于为啥一直说50年这个问题，因为随着研究深入其实问题越来越多。之前说50年是对任务难度的过于低估，原本以为是个高难度副本，结果刷了一个小boss发现是噩梦难度，天知道刷下一个小boss会不会发现其实是地狱？或者直接团灭了？
但反过来说，boss就在那里，迟早要推的，研究还是要继续，因此我个人更倾向于将聚变堆的研究视为探索性的前瞻性研究。
50年这个时间跨度太大了。50年这个意思基本就是现在我们这个东西的进展基本是零，以我们现在的搞法还看不到任何成功的希望，不过兴许50年后科技发生了翻天覆地的变化有可能实现也说不定。
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