中科院李建刚院士称未来10年可控核聚变将「达到最低门槛」，实现「上亿度」「长时间」发电，这意味着什么？
中科院李建刚院士关于未来十年可控核聚变“达到最低门槛”，实现“上亿度”“长时间”发电的表述，这绝对是一个振奋人心的消息，也预示着人类能源未来的一个重要转折点。要理解这句话的深层含义，我们需要一点点拆解它。
首先，我们得明白什么是“可控核聚变”。
简单来说，就是模拟太阳内部的核聚变反应，将氢的同位素（如氘和氚）在极端条件下融合，释放出巨大的能量。这个过程和我们家里用的核裂变发电（比如现在常见的核电站）原理是不同的。核裂变是把重原子核劈开，而核聚变是把轻原子核合并。
为什么要搞这个？因为核聚变燃料（氘、氚）取之不尽，氘可以从海水中提取，而氚可以由锂产生，锂在地壳和海水中也很丰富。而且，核聚变反应的副产物相对更安全，不像核裂变那样会产生长期放射性废物。如果能实现可控核聚变，我们就拥有了近乎无限的清洁能源，这对于解决全球能源危机和气候变化问题具有划时代的意义。
那么，李院士提到的“最低门槛”是什么意思？
这里的“门槛”指的是实现能量净增益。在我们进行核聚变反应时，需要投入能量来加热和约束等离子体（这里是高温高密的氢原子，已经失去了电子，变成了原子核和电子的混合物）。如果产生的聚变能量大于消耗的加热和约束能量，那就算实现了能量净增益，也就是“输入能量小于输出能量”。
“最低门槛”的说法，意味着我们即将跨过一个关键的技术瓶颈。过去几十年，科学家们一直在努力让核聚变装置产生的能量超过维持反应所需的能量。虽然在一些实验装置中，短时间内实现了能量增益，但要达到“长时间”持续发电，还需要克服很多巨大的挑战。所以，李院士说的“最低门槛”，很可能就是指在可控核聚变装置中，能够稳定地、持续地输出大于输入的能量，并且这个能量输出是可以用于实际发电的水平。
“上亿度”又是什么概念？
要让原子核发生聚变，必须克服它们之间强大的静电斥力。这就需要将物质加热到极高的温度，让原子核拥有足够的动能来碰撞融合。这个温度，就达到了“上亿度”。我们知道，太阳的中心温度大约是1500万度，而可控核聚变要求的温度比太阳内部还要高得多。
“上亿度”这个数字听起来很吓人，但这里有个关键点：不是说整个反应堆都均匀地是上亿度。 实际上，是在一个非常小的区域内（等离子体核心），维持着这样的高温，而装置的其他部分则通过各种技术手段进行隔热和冷却，以防止被熔化。
“长时间”发电，这才是真正让“可控”落地的关键。
前面提到的能量净增益，如果是瞬间的，那只能算是一个科学上的突破，但离实际发电还有距离。发电需要稳定、持续的能源供应。而“长时间”发电，意味着我们能够稳定地维持聚变反应，并且能够可靠地将聚变产生的热量转化为电能。
这涉及到的技术难点非常多：
等离子体约束： 如何在“上亿度”的温度下，将等离子体约束住，不让它接触到容器壁而被冷却？目前主流的技术是磁约束，通过强大的磁场来“托住”等离子体，就像用看不见的“磁笼子”一样。李院士可能指的是在磁约束技术上取得了重大进展，能够更有效地约束等离子体，使其稳定存在更长时间。
材料科学： 装置的内壁需要承受高温、高能中子轰击，材料很容易被腐蚀或损坏。因此，需要开发能够承受极端条件的先进材料。
能量提取： 如何高效地将聚变反应释放的热量传递出去，并转化为电能？这通常需要通过冷却剂（如水或氦气）吸收热量，然后驱动涡轮机发电。
燃料循环： 如何有效地将氘和氚注入反应堆，以及如何处理和循环利用产生的氚。
那么，李院士这句话究竟意味着什么？
如果李院士的预言成真，未来十年可控核聚变能达到“最低门槛”并实现“上亿度”“长时间”发电，这意味着：
1. 科学理论和工程实践的重大突破： 我们将真正证明，通过人工方式，可以稳定地、持续地在地球上复制太阳的能量产生机制，并且可以从中获取远超输入能量的净能量。这将是人类在能源科学和工程领域的一项里程碑式的成就。
2. 迈向量子工程的时代： 可控核聚变不仅是物理学和工程学的集合，它更像是一个“量子工程”。对等离子体状态的精确控制，对材料在极端环境下的表现的理解，都将推动我们对物质微观世界的认知达到新的高度。
3. 能源获取的根本性改变： 这将意味着我们有望摆脱对化石燃料的依赖，为全球提供一种近乎取之不尽、用之不竭的清洁能源。这不仅能极大地缓解气候变化带来的压力，还能彻底改变全球能源格局，为社会经济发展提供更坚实的能源保障。
4. 经济和地缘政治的影响： 一旦核聚变发电成为现实，掌握了这项技术的国家将可能在能源供应上获得巨大的战略优势，这会对全球经济和地缘政治格局产生深远的影响。
5. “未来能源”走向“当下能源”： 可控核聚变一直被视为“未来能源”，因为它在技术实现上存在巨大挑战。但如果未来十年就能达到“最低门槛”，意味着它将从一个遥远的科学梦想，一步步走向实际应用，成为我们触手可及的现实。
打个比方， 就像当年莱特兄弟第一次飞行，虽然只是短短几秒，但证明了人类可以摆脱地面束缚。而现在李院士说的，可能相当于证明了我们能造出稳定、可控的飞机，并且能搭载乘客进行长途飞行。
当然，从“达到最低门槛”到“大规模商业化发电”，中间可能还需要很多年的时间和大量的投资，去解决更多的工程化、经济性和安全性问题。但毫无疑问，李院士的这番话，传递了一个极其积极和重要的信号：我们离那个期待已久的清洁能源未来，又近了一大步。 这是一种将“科学可能”转化为“工程现实”的希望，是对全人类未来能源走向的一个强大信念支撑。
首先，我们得明白什么是“可控核聚变”。
简单来说，就是模拟太阳内部的核聚变反应，将氢的同位素（如氘和氚）在极端条件下融合，释放出巨大的能量。这个过程和我们家里用的核裂变发电（比如现在常见的核电站）原理是不同的。核裂变是把重原子核劈开，而核聚变是把轻原子核合并。
为什么要搞这个？因为核聚变燃料（氘、氚）取之不尽，氘可以从海水中提取，而氚可以由锂产生，锂在地壳和海水中也很丰富。而且，核聚变反应的副产物相对更安全，不像核裂变那样会产生长期放射性废物。如果能实现可控核聚变，我们就拥有了近乎无限的清洁能源，这对于解决全球能源危机和气候变化问题具有划时代的意义。
那么，李院士提到的“最低门槛”是什么意思？
这里的“门槛”指的是实现能量净增益。在我们进行核聚变反应时，需要投入能量来加热和约束等离子体（这里是高温高密的氢原子，已经失去了电子，变成了原子核和电子的混合物）。如果产生的聚变能量大于消耗的加热和约束能量，那就算实现了能量净增益，也就是“输入能量小于输出能量”。
“最低门槛”的说法，意味着我们即将跨过一个关键的技术瓶颈。过去几十年，科学家们一直在努力让核聚变装置产生的能量超过维持反应所需的能量。虽然在一些实验装置中，短时间内实现了能量增益，但要达到“长时间”持续发电，还需要克服很多巨大的挑战。所以，李院士说的“最低门槛”，很可能就是指在可控核聚变装置中，能够稳定地、持续地输出大于输入的能量，并且这个能量输出是可以用于实际发电的水平。
“上亿度”又是什么概念？
要让原子核发生聚变，必须克服它们之间强大的静电斥力。这就需要将物质加热到极高的温度，让原子核拥有足够的动能来碰撞融合。这个温度，就达到了“上亿度”。我们知道，太阳的中心温度大约是1500万度，而可控核聚变要求的温度比太阳内部还要高得多。
“上亿度”这个数字听起来很吓人，但这里有个关键点：不是说整个反应堆都均匀地是上亿度。 实际上，是在一个非常小的区域内（等离子体核心），维持着这样的高温，而装置的其他部分则通过各种技术手段进行隔热和冷却，以防止被熔化。
“长时间”发电，这才是真正让“可控”落地的关键。
前面提到的能量净增益，如果是瞬间的，那只能算是一个科学上的突破，但离实际发电还有距离。发电需要稳定、持续的能源供应。而“长时间”发电，意味着我们能够稳定地维持聚变反应，并且能够可靠地将聚变产生的热量转化为电能。
这涉及到的技术难点非常多：
等离子体约束： 如何在“上亿度”的温度下，将等离子体约束住，不让它接触到容器壁而被冷却？目前主流的技术是磁约束，通过强大的磁场来“托住”等离子体，就像用看不见的“磁笼子”一样。李院士可能指的是在磁约束技术上取得了重大进展，能够更有效地约束等离子体，使其稳定存在更长时间。
材料科学： 装置的内壁需要承受高温、高能中子轰击，材料很容易被腐蚀或损坏。因此，需要开发能够承受极端条件的先进材料。
能量提取： 如何高效地将聚变反应释放的热量传递出去，并转化为电能？这通常需要通过冷却剂（如水或氦气）吸收热量，然后驱动涡轮机发电。
燃料循环： 如何有效地将氘和氚注入反应堆，以及如何处理和循环利用产生的氚。
那么，李院士这句话究竟意味着什么？
如果李院士的预言成真，未来十年可控核聚变能达到“最低门槛”并实现“上亿度”“长时间”发电，这意味着：
1. 科学理论和工程实践的重大突破： 我们将真正证明，通过人工方式，可以稳定地、持续地在地球上复制太阳的能量产生机制，并且可以从中获取远超输入能量的净能量。这将是人类在能源科学和工程领域的一项里程碑式的成就。
2. 迈向量子工程的时代： 可控核聚变不仅是物理学和工程学的集合，它更像是一个“量子工程”。对等离子体状态的精确控制，对材料在极端环境下的表现的理解，都将推动我们对物质微观世界的认知达到新的高度。
3. 能源获取的根本性改变： 这将意味着我们有望摆脱对化石燃料的依赖，为全球提供一种近乎取之不尽、用之不竭的清洁能源。这不仅能极大地缓解气候变化带来的压力，还能彻底改变全球能源格局，为社会经济发展提供更坚实的能源保障。
4. 经济和地缘政治的影响： 一旦核聚变发电成为现实，掌握了这项技术的国家将可能在能源供应上获得巨大的战略优势，这会对全球经济和地缘政治格局产生深远的影响。
5. “未来能源”走向“当下能源”： 可控核聚变一直被视为“未来能源”，因为它在技术实现上存在巨大挑战。但如果未来十年就能达到“最低门槛”，意味着它将从一个遥远的科学梦想，一步步走向实际应用，成为我们触手可及的现实。
打个比方， 就像当年莱特兄弟第一次飞行，虽然只是短短几秒，但证明了人类可以摆脱地面束缚。而现在李院士说的，可能相当于证明了我们能造出稳定、可控的飞机，并且能搭载乘客进行长途飞行。
当然，从“达到最低门槛”到“大规模商业化发电”，中间可能还需要很多年的时间和大量的投资，去解决更多的工程化、经济性和安全性问题。但毫无疑问，李院士的这番话，传递了一个极其积极和重要的信号：我们离那个期待已久的清洁能源未来，又近了一大步。 这是一种将“科学可能”转化为“工程现实”的希望，是对全人类未来能源走向的一个强大信念支撑。
网友意见
李老板说的“10年内达到聚变的最低门槛”，我猜应该是指做到聚变的Q值（即能量输出/输入比值）大于1，也就是能量输出大于能量输入。
目前的Q值记录是0.67，由欧洲联合环状反应堆(JET)在1997年创下。由于中间几十年都没有进行过大规模的氘-氚实验，这个记录依然保持至今[1]。
JET反应堆近年来进行了不少维护升级，今年也放出消息，准备上新一轮的大规模氘-氚实验了，有很大希望打破自己的Q值记录。
另外去年聚变界也发生了一件比较大的事情，就是国际热核聚变实验堆（ITER）终于进入最终组装阶段了，预计能在5年之内完工，在2025年左右进行第一次实验。
ITER一旦建成，便是地球上最大的聚变实验堆。而总的来说，聚变堆越大性能越好，因此ITER的设计参数也是史无前例的高，目标Q值甚至设到了10以上。
Q值>1意味着能实现输出大于输入了，但在现实世界中，能量的传递/转换都是存在损耗的。想要实现具有商业价值的发电，大概需要把Q值做到30左右，同时需要完善的氚循环回路，以及合格的抗辐照材料。如果对后两点感兴趣，可以看我以前写的科普回答：
参考
- ^Fuel for world’s largest fusion reactor ITER is set for test run https://www.nature.com/articles/d41586-021-00408-1
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