可控核聚變（人造太陽）離我們有多遠

最近經常看到一些中國在可控核聚變的最新成就的報道，使人往往感覺咱們厲害國在可控核聚變已經世界領先，很快可以實現這個令人敬畏的科技目標了。科學家和工程技術人員為實現這個目標的努力令人敬佩，但成就到了什麽地步，距離目標有多遠，一般人都不了解，我在這簡單科普一下。

太陽和天上其它恒星一樣，它們發光發熱靠的是內部的氫在高溫高壓下發生聚變反應--兩個氫原子合成一個氦原子，同時產生大量的能量。
人類利用這個原理做出了氫彈。氫彈需要一個稱引爆器的原子彈核心，首先原子彈引爆，爆炸的高溫高壓讓氫彈裏的氫發生聚變反應，產生的能量遠高於一般原子彈，所以氫彈的爆炸力也更強。由於用氫進行聚變需要溫度太高，所以實際上氫彈使用氫的兩個同位素氘和氚進行聚變反應。
可控核聚變（人造太陽）就是使用同樣的原理，但發生的聚變反應是可控的，緩慢的。產生的巨大能量則用於對人類有益的事，如發電等。氘在自然界很豐富，據估算一升海水裏的氘用於核聚變產生的能量就比一升汽油還多。因而掌握了可控核聚變，人類幾乎有無窮無盡的能量來源，可完全脫離目前對石油，煤炭等化石燃料的依賴。
因為聚變反應要求的溫度高達一億多度，沒有什麽容器能裝下而不被高溫破壞。人們就用磁場來約束參加反應的氘和氚--它們在高溫下已變成了等離子的狀態，能被磁場控製。一種最常用的磁場約束等離子的裝置叫托卡馬克，由蘇聯人發明。

可控核聚變在50年代末曾樂觀地被科學界和大眾認為是並不太困難的目標，因為氫彈已經驗證和做出多年了，托卡馬克裝置也早在1951年就被蘇聯人發明。那時的普遍估計可控核聚變在20-30年內應該可以實現。
但現實的進展出乎所有人的意料之外，60多年後的今天，燒了幾百幾千億的錢，要達到最起碼的目標--輸出能量大於輸入能量，不光中國的裝置做不到，所有世界上其他裝置也達不到。用Q值代表輸出和輸入能量比，目前做得最好的是英國JET裝置，Q=0.67--用2.4萬千瓦熱能輸入等離子體（實際裝置耗電70萬千瓦），氘-氚聚變反應產出1.6萬千瓦熱能！
現在全世界都期望的是在法國建造，所有主要大國都參加，耗費180--200億歐元的國際合作巨型ITER項目，

ITER的剖麵示意圖

ITER的工地和外觀

ITER的目標是Q=10--用5萬千瓦熱能輸入等離子體（實際裝置耗電30萬千瓦），聚變反應在1.5億攝氏度下維持400秒的間歇，並能產出50萬千瓦熱能。ITER預期2025年建成並開始加氫試驗等離子體,2035年後才真正用氘-氚聚變反應以驗證。ITER將沒有發電部分，當然如果使用55%的典型發電效率，其50萬千瓦熱能轉換出的電力為27.5萬千瓦--還不夠自己運行所需的30萬千瓦！所以，即使考慮發電，它隻是個沒有純電能輸出，反而需要外部電力才能運行的裝置。
而可用來發電，指導性的商業應用的國際合作DEMO堆預期2040開工（推後幾乎注定），真正批量建成的成功商業堆（一般認為要Q>=100）恐怕一百年後也難以指望！
目前的工作就是不斷燒錢。美，俄經過幾十年的大量投入，成效太慢，至今已積極性不甚高。歐盟還在努力，但燒錢太多，有點騎虎難下。目前積極性較高的就隻有亞洲的中，韓，日，大概想到可利用許多別人前期的成果，現在投入較劃算吧。
幾大難題目前還等待去解決：
第一是在如此極端狀態下做到聚變反應輸出能量遠大於輸入能量，並能保證穩定地運行。目前所有的裝置都在努力達到這一點，但走在最前麵的ITER也要到2035年才開始用氘-氚進行聚變反應加以驗證，驗證通不過和完工後推的可能性還相當大。
第二是在大量高能中子輻射下的殼體選材。因為聚變反應產生的中子能量極高，數量很多，幾乎沒有什麽材料能承受長期的高能中子轟擊而不脆化變質。材料的選取和驗證最後得靠ITER成功地運行後提供的環境。如果殼體壽命太短，更換處理是個噩夢，沒有商用裝置會接受每幾年就大換核心結構的安排。注意！這些中子輻射後的殼體可是有放射性的，並非過去宣傳可控核聚變沒有放射性廢料產生。
最後一點就是是發電成本如何與傳統發電方式競爭的問題，一個裝置是如此複雜和昂貴，如何從電費中回收成本可能是永遠解決不了的難題！和許多無碳排放的發電方式，比如核裂變，太陽能，水電，風能等等相比，成本占優的那一天也許永遠不會到來。