3月31日，《科技日报》官方报道，中国很可能在2030年左右，建成全球第一座核聚变电站。这一成就，不仅标志着中国在该项技术领域取得了重大突破，也很可能成为彻底突破自然界对人类的能源限制的标志性事件，开启人类全新的能源纪元。
▲瑶湖科学岛反应堆，图片来源：网络
根据《“星火”点燃核聚变发电新希望》文章中提到的细节可以得知，中国核工业二十三建设公司和联创新超导公司合作，投资200亿人民币，在江西南昌瑶湖科学岛建造了“星火”高温超导核聚变-裂变混合堆。预计到2030年，“星火”可以实现100兆瓦的持续电力输出，并接入国家电网。而这也只是整个“星火”项目的第一期工程，后续的大规模建设还将陆续铺开。
纵观人类的历史，每一次社会生产力的巨大飞跃，都与对能源利用能力的突破离不开关系。虽然能源不是唯一的决定因素，但它绝对扮演了核心的角色。比如人类从原始采集、打猎能够过渡到了农耕文明，就和利用牲畜分不开关系。第一次工业革命中这种现象更为明显，人类以蒸汽机为核心设备，用机械化迅速代替了手工劳动，煤炭、钢铁、蒸汽动力成为了当时时代进步的主要象征物。到了第二次工业革命，蒸汽动力又被内燃机、电力取代且一直持续至今。到了现代文明，电力成为了最核心的能源，成为了支撑数字化技术的关键。虽然传统的化石能源仍在很多领域占据重要角色，但电能绝对是现代文明的核心能源。
▲核聚变电站想象图，图片来源：网络
人类目前的掌握的几种主要电力生产方式是火电、核裂变、核聚变、水电、风电、太阳能。传统火电站的能源转化效率为33%~38%，如果使用超临界电站，可达到45%。平均下来每1兆瓦电能成本150万美元左右。火电的成本很低，但附带会产生二氧化碳排放，严重的会造成温室效应和酸雨。目前全球40%左右的电力都来源于火电，中国更是占了60%。核裂变电站也是全球电能的主要来源，约占总量的10%。其大体原理是利用铀-235的分裂释放能量后加热水，再驱动蒸汽轮机发电。转化效率受制于卡诺循环，转化效率通常为百分之33~37%左右。成本略高于火力发电，因为核燃料本身的成本很低，但是电站建设复杂，废料处理昂贵。如果发生诸如福岛、切尔诺贝利那样的大型事故，造成的灾难也会非常严重。
水电，风电、太阳能发电都是清洁能源，其中水电的效率最高。水电利用水流势能驱动涡轮，能量转化率85~95%。风电为风力驱动发电机叶片，受风速本身和机械设计的影响，转化效率只有百分之35到50%左右。太阳能的效率是最低的，在自然状态下，其转化率只有百分之15~22%左右。如果排序，全球总电能来源的榜单将是火电、水电、核电、风电、太阳能。
▲核聚变电站核心装置示意图，图片来源：网络
由于其他几类发电方式确实没有技术上迅速突破的可能，因此大量的科学家都在研究怎么改变核能的效率。核专家设想，既然核裂变可以发电，那么核聚变能不能发电呢，答案当然是可以。核聚变的原理就是两个轻原子核在高温高压下融合成一个重原子核，这一过程同样会释放大量能量。从效率上来说，核聚变释放的能量远超于核裂变。如果以克为单位，那么每1克核燃料发生核聚变时可以释放9000万千瓦时，核裂变时仅为200万千瓦，差了40倍还多。对比之下，每1克化石燃料燃烧时最多只可以释放8千瓦时，连核聚变反应释放出的能量的零头都不够。
如果这些能量全部转化为电能，那么发电量将大的惊人。这么好的发电方式，为什么之前不用呢？原因就在于核聚变需要非常苛刻的条件，具体来说是高温高压和长时间的维持。这个高温不是普通的高温，它将是1亿~1.5亿摄氏度。只有这样的高温，才能够使轻原子核克服库仑斥力，进入等离子体状态，才有可能完成融合。
▲核聚变实验装置，图片来源：网络
高压是另一个前提条件，当反应堆内充满大量等离子体时，只有高压才能增加它们的碰撞概率。这种高温和高压的环境不是维持个1秒就行了，视情况不同可能需要维持数秒到数分钟不等，才能确保足够的能量被输出。另外，高温等离子体还需要被约束，这就需要超导磁体产生强磁场。把核聚变产生的能量转化为电能时，还需要厚重的反应堆壁让高能中子撞击，还需要真空环境。
由以上情况可以看得出，尽管核聚变具有很强的潜在发电能力，但建设和维护成本都很高。核聚变反应堆使用的原料倒是非常易得，比如海水中就可以提取氘，氚可以由裂变堆生产，锂则可以从矿石中提取。每升水中大约含约33毫克氘，以此估算，全球氘储量估计为4.5万亿吨，够人力用几亿年。经过蒸馏、电解、化学交换法等就可以分离重水，再分解提取氘气。核聚变电站的安全系数也非常高：相当于“揉面团”，当所有的原料都融合完毕时反应自然会终止，不会发生难控制的情况。
▲核聚变反应堆工作想象图，图片来源：网络
毫不夸张的说，如果人类能够建成数量足够多的核聚变电站，那么能源的成本将突破一个新的水平，各国科学家都看到了它的潜力，所以纷纷投入海量的资金进行研发。中国在核聚变领域的研发投入很大，早先建成的多个实验装置，这为“星火”项目奠定了基础。比如早期的“东方超环”、“环流三号”、“中国聚变工程实验堆”等等。当前，最接近商业运营可能的就是“星火”，全称“星火高温超导核聚变-裂变混合堆”。它并非为纯聚变堆，而是裂变堆到聚变堆的一种中间过渡状态，之所以如此，也是为了降低研发难度。
国际上对于核聚变发电站能否实用有一个关键评价标准，即Q值，代表输出能量和输入能量的比值，当Q大于10就算是有使用价值了。中国“星火”在2030年左右Q值就能达到30以上，从而进入100兆瓦的运行阶段。后期中国的技术发展路径为从聚变-裂变混合堆向纯聚变堆发展，并逐步提高发电量。
▲美国的联邦聚变系统，图片来源：网络
除了中国之外，美国也建立了联邦聚变系统（Commonwealth Fusion Systems），估计运行时间为2030年代初，发电能力400兆瓦。英国独立建成了Spherical Tokamak for Energy Production，德国有Wendelstein 7-X，日本有JT-60SA，另外35国还在法国建立了一个多国联合的“国际热核聚变实验堆”，但这些反应堆距离真正的商业化和实用化还有比较大的距离。
从目前的情况看，中国采用“小步快跑”的技术发展路径，明显已经在核聚变反应堆领域取得了技术上的优势。中国凭借“星火”项目，很可能在2030年拿下全球第一座核聚变反应堆的“桂冠”。未来5~10年，对于全球各国而言，将是发展核聚变电站的关键战略窗口期。谁先突破并实现并发电联网，谁就很可能引领全球能源革命，开启人类全新的能源纪元。
3月31日，《科技日报》官方报道，中国很可能在2030年左右，建成全球第一座核聚变电站。这一成就，不仅标志着中国在该项技术领域取得了重大突破，也很可能成为彻底突破自然界对人类的能源限制的标志性事件，开启人类全新的能源纪元。
▲瑶湖科学岛反应堆，图片来源：网络
根据《“星火”点燃核聚变发电新希望》文章中提到的细节可以得知，中国核工业二十三建设公司和联创新超导公司合作，投资200亿人民币，在江西南昌瑶湖科学岛建造了“星火”高温超导核聚变-裂变混合堆。预计到2030年，“星火”可以实现100兆瓦的持续电力输出，并接入国家电网。而这也只是整个“星火”项目的第一期工程，后续的大规模建设还将陆续铺开。
纵观人类的历史，每一次社会生产力的巨大飞跃，都与对能源利用能力的突破离不开关系。虽然能源不是唯一的决定因素，但它绝对扮演了核心的角色。比如人类从原始采集、打猎能够过渡到了农耕文明，就和利用牲畜分不开关系。第一次工业革命中这种现象更为明显，人类以蒸汽机为核心设备，用机械化迅速代替了手工劳动，煤炭、钢铁、蒸汽动力成为了当时时代进步的主要象征物。到了第二次工业革命，蒸汽动力又被内燃机、电力取代且一直持续至今。到了现代文明，电力成为了最核心的能源，成为了支撑数字化技术的关键。虽然传统的化石能源仍在很多领域占据重要角色，但电能绝对是现代文明的核心能源。
▲核聚变电站想象图，图片来源：网络
人类目前的掌握的几种主要电力生产方式是火电、核裂变、核聚变、水电、风电、太阳能。传统火电站的能源转化效率为33%~38%，如果使用超临界电站，可达到45%。平均下来每1兆瓦电能成本150万美元左右。火电的成本很低，但附带会产生二氧化碳排放，严重的会造成温室效应和酸雨。目前全球40%左右的电力都来源于火电，中国更是占了60%。核裂变电站也是全球电能的主要来源，约占总量的10%。其大体原理是利用铀-235的分裂释放能量后加热水，再驱动蒸汽轮机发电。转化效率受制于卡诺循环，转化效率通常为百分之33~37%左右。成本略高于火力发电，因为核燃料本身的成本很低，但是电站建设复杂，废料处理昂贵。如果发生诸如福岛、切尔诺贝利那样的大型事故，造成的灾难也会非常严重。
水电，风电、太阳能发电都是清洁能源，其中水电的效率最高。水电利用水流势能驱动涡轮，能量转化率85~95%。风电为风力驱动发电机叶片，受风速本身和机械设计的影响，转化效率只有百分之35到50%左右。太阳能的效率是最低的，在自然状态下，其转化率只有百分之15~22%左右。如果排序，全球总电能来源的榜单将是火电、水电、核电、风电、太阳能。
▲核聚变电站核心装置示意图，图片来源：网络
由于其他几类发电方式确实没有技术上迅速突破的可能，因此大量的科学家都在研究怎么改变核能的效率。核专家设想，既然核裂变可以发电，那么核聚变能不能发电呢，答案当然是可以。核聚变的原理就是两个轻原子核在高温高压下融合成一个重原子核，这一过程同样会释放大量能量。从效率上来说，核聚变释放的能量远超于核裂变。如果以克为单位，那么每1克核燃料发生核聚变时可以释放9000万千瓦时，核裂变时仅为200万千瓦，差了40倍还多。对比之下，每1克化石燃料燃烧时最多只可以释放8千瓦时，连核聚变反应释放出的能量的零头都不够。
如果这些能量全部转化为电能，那么发电量将大的惊人。这么好的发电方式，为什么之前不用呢？原因就在于核聚变需要非常苛刻的条件，具体来说是高温高压和长时间的维持。这个高温不是普通的高温，它将是1亿~1.5亿摄氏度。只有这样的高温，才能够使轻原子核克服库仑斥力，进入等离子体状态，才有可能完成融合。
▲核聚变实验装置，图片来源：网络
高压是另一个前提条件，当反应堆内充满大量等离子体时，只有高压才能增加它们的碰撞概率。这种高温和高压的环境不是维持个1秒就行了，视情况不同可能需要维持数秒到数分钟不等，才能确保足够的能量被输出。另外，高温等离子体还需要被约束，这就需要超导磁体产生强磁场。把核聚变产生的能量转化为电能时，还需要厚重的反应堆壁让高能中子撞击，还需要真空环境。
由以上情况可以看得出，尽管核聚变具有很强的潜在发电能力，但建设和维护成本都很高。核聚变反应堆使用的原料倒是非常易得，比如海水中就可以提取氘，氚可以由裂变堆生产，锂则可以从矿石中提取。每升水中大约含约33毫克氘，以此估算，全球氘储量估计为4.5万亿吨，够人力用几亿年。经过蒸馏、电解、化学交换法等就可以分离重水，再分解提取氘气。核聚变电站的安全系数也非常高：相当于“揉面团”，当所有的原料都融合完毕时反应自然会终止，不会发生难控制的情况。
▲核聚变反应堆工作想象图，图片来源：网络
毫不夸张的说，如果人类能够建成数量足够多的核聚变电站，那么能源的成本将突破一个新的水平，各国科学家都看到了它的潜力，所以纷纷投入海量的资金进行研发。中国在核聚变领域的研发投入很大，早先建成的多个实验装置，这为“星火”项目奠定了基础。比如早期的“东方超环”、“环流三号”、“中国聚变工程实验堆”等等。当前，最接近商业运营可能的就是“星火”，全称“星火高温超导核聚变-裂变混合堆”。它并非为纯聚变堆，而是裂变堆到聚变堆的一种中间过渡状态，之所以如此，也是为了降低研发难度。
国际上对于核聚变发电站能否实用有一个关键评价标准，即Q值，代表输出能量和输入能量的比值，当Q大于10就算是有使用价值了。中国“星火”在2030年左右Q值就能达到30以上，从而进入100兆瓦的运行阶段。后期中国的技术发展路径为从聚变-裂变混合堆向纯聚变堆发展，并逐步提高发电量。
▲美国的联邦聚变系统，图片来源：网络
除了中国之外，美国也建立了联邦聚变系统（Commonwealth Fusion Systems），估计运行时间为2030年代初，发电能力400兆瓦。英国独立建成了Spherical Tokamak for Energy Production，德国有Wendelstein 7-X，日本有JT-60SA，另外35国还在法国建立了一个多国联合的“国际热核聚变实验堆”，但这些反应堆距离真正的商业化和实用化还有比较大的距离。
从目前的情况看，中国采用“小步快跑”的技术发展路径，明显已经在核聚变反应堆领域取得了技术上的优势。中国凭借“星火”项目，很可能在2030年拿下全球第一座核聚变反应堆的“桂冠”。未来5~10年，对于全球各国而言，将是发展核聚变电站的关键战略窗口期。谁先突破并实现并发电联网，谁就很可能引领全球能源革命，开启人类全新的能源纪元。