核聚變發電，距離實用還有多遠？目前遇到的主要障礙是什麼？

01-01

近日看到光明網《托卡馬克核聚變實驗裝置輔助加熱系統通過驗收》，加上近年不斷有所謂突破的新聞，而且國際合作的研究也已經在法國展開多年，不知道有生之年能不能真的看到核聚變發電站。

收到過很多邀請問核聚變什麼時候可以使用之類的問題，在此統一答覆下吧。

1.商用發電的時間只能靠猜，尚不能給出精確計劃。

2.至於ITER完工，今上午開會致開幕詞時，萬寶年所長轉述新任ITER主席的話是，預計2025年完工，可能會有延期，目前還沒有計劃表。

3.關於CFETR，剛聽報告回來，Prof. Vincent Chan 說還沒計劃表，準備花2-3年的時間完成計劃；王曉鋼教授說最aggressive的計劃是2020年開始建，大概十年完工。

這已經是我目前知道的最靠譜的信息了。這種規模的大科學項目不是修馬路能給個竣工時間，沒人敢說明天會不會哪兒又出新問題導致延期或者誰搞出個新理論讓進度提前。個人對這種畫大餅的問題沒興趣，問算命先生比我更適合。

主流的有兩種吧，一種是慣性核聚變一種是磁約束核聚變

我簡單的說一下

慣性核聚變就像是太陽，僅僅是靠自身質量產生的引力就滿足了聚變的條件，在現代，人們試圖使用多束激光打到同一個點上，那個點上放一下聚變所需要的原料，以此來滿足聚變條件。

磁約束核聚變就好比，「加熱」整個系統里的粒子，那麼總有一些粒子能達到核聚變的條件。

兩者現在都存在一些問題

慣性聚變，每打一次炮就得裝一次彈，因為原料變多不可控而且難度增高很多

輸出也是個問題，聽說現在是終於做到輸出功比輸入功高了。

想像一下它發電的過程就是「啪！(間隔一會其實也不長)啪！(間隔一會)啪！(間隔一會)啪！(間隔一會)啪！(間隔一會)啪！(間隔一會)……」

但畢竟我們用電不能停，還得想方設法把頻率挺高，而且輸出輸入比也得提高，不然很不實際。

那磁約束的問題就是 →_→太複雜了，你完全沒辦法用磁約束把裡面這些粒子弄得服服帖帖的按你想的那樣去運動，所以科學家設計了各式各樣千奇百怪的結構，但實際上看結果就知道還沒到能實際運用的程度。

上圖

這就是EAST的結構吧直接從百科上搬來的

這算長的比較正常的我記憶中還有各種千奇百怪的造型題主你百度下也能找到。

這就是主流的兩種了，但目前來說這兩者都不具備有實際發電能力

而且未來的核聚變發電裝置，可能但不僅僅是以上提到的這兩種。

就我個人而言我更傾向於前一種，

但實際上按老師的講法，他覺得以上兩種都不太可能，也許是什麼前面的人從沒想過的結構。

現在對這兩者的研究，是為了以後的發展做一些理論研究，實際上過程中也發現了很多有趣的實驗結論（抱歉...大二狗也只能理解到這種程度了）

比如一些奇奇怪怪的東西冷聚變、聲致發光現象下的核聚變（聽說是個學術詐騙）...

就這樣題主你給個贊好不好！我寫了快半小時！

聚變發電最大的障礙有兩點：

1.Q值過低，Q值即輸入能量與輸出能量之比。聚變裝置需要消耗大量的電能，必須滿足產出大於投入才能實現商用發電。

2. 持續時間過短。NIF就不用說了，每一次點火之後都需要設備維護，他們最主要的目的是軍事用途，聚變民用只是附帶的。托卡馬克脈衝持續時間都不長，iter的放電目標是1000秒。

至於ITER，因為國際合作，各個國家扯皮厲害拖慢項目進度，米國一直叫嚷退出（實際上退出過一次後來又重新加入，另外早期退出的國家有加拿大），歐盟方施工緩慢，印度爆出施工設計錯誤然後推倒重來，法國當地民眾偶爾上門抗議僱用本地居民太少，歐盟工人不爽了再鬧個大罷工等等等等。。。ITER於2005年選定建造地址，開始正式施工，原計劃2015年一期工程完成，現在進度嚴重滯後，據說已經推遲到2025年。據說米國國會又在嚷嚷財政收縮，退出項目。

ITER之後，根據其運行實驗進行研究和改進，之後設計DEMO堆，DEMO堆之後進入商業階段。個人估計需要100年。也不排除未來20年內人類科技大躍進，導致提前實現聚變能的和平利用。

-----------------

補充一下：如果我國的CFETR獲批，按照國內的建造速度，預計花10年就可以建好，這可是平行於ITER，同時具有DEMO堆特性的聚變發電演示項目，因此將會極大加速聚變能的研究速度。

附上示意圖一張，那個上面的預計時間看看就好。

----------------

題主如果想看到商用化成功，建議從現在起好好鍛煉身體，養成健康良好的生活習慣，以待將來。

其實樓上已經講到了挺關鍵的點：Q值和約束時長。

如果要實現商業化，Q值可能要達到30。至於脈衝時長，EAST的30秒都夠中科院吹牛半天的了。也就是說在實驗都還沒有成功的情況下，商業化遙遙無期——或許又是一個「50年」。

再說說約束的方式，當然是慣性約束和磁約束。

慣性約束其實是引爆氫彈的方式，前幾個月好像剛剛使Q值達到1。個人認為這種方式實際上根本不實用，更像是簽署了《流氓不擴散條約》的大國用來做核試驗的遮羞布——誰知道利弗莫爾的科學家實際上是在做什麼呢。現在進行幾次點燃靶丸的實驗後激光儀器都要檢修不少時間，再加上激光器儲能、填裝靶丸什麼的，都是技術上的障礙——所以用慣性約束很難實現連續供能，起碼現在看來是這樣。

再說到磁約束。可以看一下樓上幾位的圖片，展示的都是磁約束眾多位形中的一種——托卡馬克（Tokamak）。普遍的看法是，托卡馬克是人類最有希望首先達到點火條件的磁約束熱核反應裝置。具體的介紹可以在百度百科之類的地方找到就不贅言了，主要說一下這個東西的壞處——它的等離子體是帶電流的，這意味著會存在一些奇奇怪怪的不穩定性（什麼臘腸啊扭曲啊之類的= =），我們知道在流體中（特別是等離子體這種處於極高能態的流體）一點輕微的擾動都會造成巨大變化，這也是造成等離子體約束時間難以提升的原因。

不僅僅如此，托卡馬克實際上還有一個同樣巨大的問題——它需要維持等離子體的電流，也就是說需要不斷地向等離子體提供能量。換句話說，托卡馬克很可能是無法穩態運行的，甚至有觀點認為托卡馬克在長時間運行下的Q值無法大於1。如果這被證實那麼托卡馬克就沒有商業應用的價值。

再介紹一下同屬於磁約束，但遠遠沒有托卡馬克流行的另外一種位形——仿星器。

仿星器很奇葩。誰都看的出托卡馬克很複雜，但是仿星器更複雜。如果說托卡馬克是「二維的」（相對於大環是對稱的），那麼仿星器就妥妥的是三維的（我懶得找圖了不好意思Orz）。所以儘管比托卡馬克提出的要早（仿星器是最早的幾種磁約束裝置，也是唯一比較實際的一種），但是現在仿星器的發展卻落後於托卡馬克——它太難做了，對材料和工藝水平的要求都非常高。

但是仿星器有一個先天的優點：它的等離子體沒有環向電流。這個優點很關鍵，因為不存在環向電流，所以不需要一個大大的線圈來維持這個電流，也就不需要長時間注入能量，只需要像往爐子里加煤炭一樣注入等離子體就好——它或許可以穩態運行。

這些大概就是人們目前考慮的最多的核聚變方式了，僅以個人觀點對它們最終實現的可能性排個序的話，仿星器&>托卡馬克&>慣性約束

但是同樓上的觀點一樣，這幾種方法都不是"完美的"，人類對等離子體的了解還貧乏得可憐，或許最終能夠實現商業化核聚變的會是完全不同於這幾種方式的全新的理念。

永遠的未來技術

核聚變發電廠的真正技術難題是怎様處理核聚變產生的中子：人類至今所有的機械靠的都是電磁作用，而中子卻是真正全電中性的，不像原子一様有帶負電的電子包圍帶正電的核子，所以我們對中子的路徑完全無法控制，唯一的選擇是要不要遮擋它。目前所有的托卡馬克設計靠的都是D+T=&>He+n的反應，其中D是Deuterium（氘，多含一個中子的重氫），T是Tritium（氚，多含兩個中子的超重氫），He是Helium（氦），而n是Neutron（中子）；因為這是唯一一個其所需溫度沒有超過人造磁場控制能力的反應。但是中子比氦輕四倍，所以它帶出的動能也就多四倍，亦即核聚變反應產生的80%能量是由中子帶走。既然我們要發電，就必須在托卡馬克外面吸收這些中子，那麼托卡馬克的內壁就必須對中子「透明」，所以負責維持真空的內壁再加上吸熱的水管（產生磁場的線圈可以做在水管之外，但是仍將承受部分中子輻射）將在完全沒有屏障的情形下，長期承受比核裂變反應器高出好幾個數量級的中子轟擊，其結果是這些物質必然會弱化而需要定期替換，但是在這個過程中它們也會得到放射性。也就是核裂變發電廠只須要換燃料棒，而核聚變發電廠卻須要定期把整個帶有放射性的反應器拆掉重裝；即使在技術上有可能做到，它的價格和風險都將遠超人類所能承受的極限。所謂的ITER（ITER是托克馬克的一種）和現有的下一代設計都對這個問題束手無策，搞核聚變的人的態度基本上是船到橋頭自然直；可是這艘船在30年前就已經撞橋沉沒，30年來拚命加大引擎，那麼不但再度撞橋是必然的，其後果也只能更為慘烈。
以上摘自王孟源先生的博客文章永遠的未來技術 （需要翻牆）

如果走聚變爆炸發電路線，很快很快的，約束路線感覺有時候是找抽

不妄議技術，只談人。

在中國點人造太陽，八十多歲的老教授向五十多歲的學生吐槽自己智商不夠，當初應該研究計算機，不該研究物理。

國內只看合肥的等離子體所和西南物理研究所，他們已經是最厲害的了，剩下一些高校裡面，具體就是邊邊角角的改進研究工作了。我在華科等離子體所，當然還沒開始讀只呆了半年。

國際上就是美國的國家點火裝置（NIF），這個是慣性約束。還有很多大國一起搞得ITER，這個是磁約束的，也很緊張的進行著，我上次看的一篇文章（2014年9月）介紹ITER的輔助加熱，能把等離子體燒到3億度。

如果能最先完成，必定是NIF或者ITER了，多關注他們就好了。

實用的話，應該是永遠的50年吧。

主要障礙很多啊，我知道一些磁約束的，肯定不全。

1，等離子體控制，高溫高能量的等離子體的運動必須能很好的控制，所以研究等離子體的運動特性就很有必要，但是大多高校還是模擬分析的多，實際能把理論用上去完全控制等離子體的少，畢竟不像固體、液體什麼的簡單易得。綜上就是控制策略、等離子體分析。

2，電源系統，同上，因為要對等離子體進行控制，所以除了很好的控制策略外，也得有相應的裝置實現，首先是高壓大電流，我們現在的器件都必須串聯、並聯使用的，這個是材料、器件限制了裝置，另外對於等離子體的控制響應一定要快，所以對於裝置的速度要求也很高，另外電源裝置的輸出區間也很大，對於供電電網（可憐的法國電網）要求高，ITER可能一會兒要輸出很大功率，一會兒就要吸收很大功率，這就是問題，綜上就是半導體材料、電力半導體工藝、電源拓撲什麼的。

知道的不是很多，有錯誤，很歡迎批評指正

國際聚變堆ITER裝置電源系統綜述

我老師說，三十年前我們認為聚變還要五十年，現在…我們還這麼認為…

1.高溫等離子體控制

2.發電效率

投入太少，每年要是投幾萬億進去，你想想會怎麼樣。