主题：【原创】热核聚变笔记 -- 滕诺
近日，饭桌上与老父闲聊，谈起能源问题，老父提及以前新闻报道过的热核聚变能源，不知何时能实用，下来上网查了点资料，发现网易公开课有中国科技大学万元熙院士关于核聚变的讲座，一共五讲，连续听下来，十分解渴，听完后将暂存于脑海中的记忆笔录于此。虽然网络发达，各种资源随处可查，可是从网络到脑海到笔端，走完这个过程才算自己了解。
热核聚变的理论基础是爱因斯坦的那个鼎鼎大名的物质质量能源公式：能量等于质量乘以光速的平方，E=mc^2。现在的核电站利用的是核裂变所产生的能量，即大的原子核如放射性的铀235裂变后质量损失所带来的能量补偿，原子弹也是这个原理。热核聚变则反之，利用的是小的原子核合并后产生的质量损失所带来的能量，氢弹就是这个原理。由于地球中的铀等放射性元素储量有限，且这些大分子不稳定、放射性半衰期长，资源有限且污染环境，而热核聚变则没有这个问题。
热核聚变利用的是氢及其同位素氘、氚，氢在大气中存在，氘可以从海水中提炼，氚则麻烦点，不过也可以通过用中子轰击锂原子而得到。氢、氘都不具备放射性，是安全的，氚具有放射性，但其半衰期只有12年，处理起来相对简单。太阳就是通过热核聚变氢-氢产生能量，其亿分之一的能量达到地球就养育了我们。
要达到热核聚变，需要满足一定的条件，主要是三个，即温度、密度、反应时间。温度是指发生反应时的环境温度，太阳的温度是一千万度，在地球上发生热核反应的温度应高于太阳温度。在那么高的温度下，物质进入第四种状态，即固态、液态、气态之后的电离态，也就是原子被打散成原子核与分离的电子。密度是电离态的原子核密度，密度低了则反应难以连续发生，而电离态的原子核极为活跃，很难约束到一起，所以造一个盒子将它们装起来增加密度十分困难。反应时间是指发生反应所能持续的时间。这三者的乘积达到10的18次方，理论上可以发生热核聚变，达到10的19-20次方可以观察到热核聚变，达到10的21次方以上则可以达到连续热核聚变的点火阶段。
理论上，要满足上述条件，有三种途径。一是重力约束，比如太阳，由于其质量巨大，仅凭其自身的引力就可以将电离的氢原子核束缚在身边以发生连续的热核反应，但地球显然不具备这个条件，地球上容易发生热核聚变反应的是氘-氚组合，而不是太阳的氢-氢聚变，不是不想用更容易得到的氢，而是咱没有太阳那个肌肉。二是惯性约束，即通过巨大的动能去轰击原子核，美国人做了个实验装置利用超级高能的激光去轰，其能量号称达到全美电力装机容量的500倍，但持续时间可想而知，比一刹那的一刹那的一刹那还短，一刹那有多短？按佛教典籍，一昼夜有480万刹那，折合0.018秒。可想而知，这也不是个可行之道。第三就是我这个电工所熟悉的电磁约束了，原子不是被电离了么，造一个大线圈，通上电形成个强磁场，这些粒子还不是乖乖地沿着磁力线转圈圈了。
按照电磁约束的思路，苏联人造了个托卡马克装置，取得了成功，后来其他国家都按照这个思路开展研究，我国当然也造了。现在实验数据最好的是日本人的一个，理论上效能达到了1.25，就是说下了一斤麦子的种子，收获了一斤二两五，算不错了没亏，反应持续时间接近了2秒，为啥说是理论上呢，前面不是说了地球上的热核聚变是氘氚反应嘛，而氚是造氢弹这个大杀器的原料，老美怎么可能让小日本拿着呢，所以只是理论上计算的。当然，咱们也有咱们的独门武功，就是咱们造了个超导材料的电磁盒子。学工的同学知道，电磁场是有损耗的，只有超导了，损耗才降到理论上的最低，而要满足前面那个10的21次方，显然是必须要超导的。
后来，戈巴和里根商量咱们合伙玩吧，整个大家伙，不过这个太烧钱，把欧盟和日本带着，他俩有钱。这就从1985年一直商量了二十来年，老美反反复复，又惦记苏联人的技术，又怕自己那点东西被别人偷了去，直到苏联解体了，多少年过去额，欧洲人烦了说不带这样玩的，不要小美了，咱们把兔子和宇宙第一大国拉进来一起整，美国这才着急了，重新加入，分面包的时候阿三说我也是宇宙大国，我带你们玩吧，于是2007年这七个财主开始玩起了一个号称人造太阳的国际热核实验反应堆，这个小太阳放在法国，欧洲出资45%，其他各国各出9%。这个人造太阳大约30米高，直径也是30来米，造价按照98年美元计算是50亿，维护费用也是50亿美元，当然，现在价格自然是大大上升了。这个人造太阳达到了点火区间的边缘，也就是说，持续反应时间可以达到百秒级别，能量效率达到10倍左右，还可以自持续即自己生成氚。
说个笑话，阿三总是气球吹的很大，这个也不例外，他在自己国内也造了个小的，可是呢，每次学术界要开年会的时候，阿三总说我的托卡马克装置造好了，出实验结果了，然后提交学术论文，然后要开会了，装置不能运行，只好撤回学术论文，如是者三。为啥？因为阿三不会抽真空：)抽真空还不简单？会造热水瓶的玻璃匠都会吹，难道阿三不会吹玻璃么?前面说了，高温电离态的粒子要造个盒子装起来，这个盒子必须是真空的，就象那暖水瓶的隔层。大家都知道，热水瓶底不是有个小锥锥么，那个地方破了就没了真空不能保温了。托卡马克装置的真空室就象那个热水瓶，只是不止一个小锥锥，而是成千上万个，所以阿三明知道是小锥锥破了，却总是找不到哪个破了，后来找兔子专家去帮忙，买兔子关键设备去换，还是找不出来，这也是国家制造业技术整体上的差距吧，所以万院士也有点担心这个人造太阳呢。
这个人造太阳估计要造个二十年，如果完成实验目标的话，就可以继续整工程示范堆了，那也估计要二十来年，顺利的话，到2050年就可以建成第一台热核聚变电站了。不过呢，虽然七矮人一起造太阳，但七矮人也还各有各的算盘。太阳造在自家院子里，欧洲人自然是一心向阳了。俄国人想拉着兔子抄条近道，搞核聚变与核裂变的复合体，争取早日实用，不过兔子还没答应。兔子想的是一起造太阳也不影响我先造个小一点的工程堆，太阳开始发光了，我这个工程堆正好可以用它的数据来应证，顺利的话就可直接实用了。宇宙第一大国和阿三也各有各的梦想。。。
加拿大还有一种接近于伪科学和骗子之间的
现在一提中国有点进展，这个装置马上就会被某些鸟人拿出来说三道四
据万院士介绍，美国人的这个思路，解决了前文所说的三个条件之一的温度问题，但反应持续时间和密度问题都很难解决。激光的高能也决定了它能量的持续时间极短，也只能聚焦于某一点，虽然该点的粒子可以反应，但区域太小，难以扩大和持续。
选址在哪，哪里就要出大头资金。另外，日本是不能拥有氚的，而这个项目必然要用到氚，还是大量的，并且还要自持续生产，这也决定了日本不可能承建。
目前来看，美国人的这条可行性较低，除了美国人，其他国家都是电磁约束路线，托卡马克装置已经进展到3代了，并且理论和实践都是成功和相互验证的，连美国人自己也加入了ITER。
目前看的理论是跟神光比。国家点火装置出力更高。而且说已经实现稳定出光。
ITER刚刚被两拨人批判，一是有人批判官僚主义太厉害。一是督工批判世人眼光狭隘，ITER总共搞了200多亿，还不如化妆品一年350个亿的搞呢。总之是各种鄙视。
中大夫有何以教我？
目前来看，两条路线之争，电磁约束是走在前面了，应该说是自上个世纪八十年代就开始领先了，要不里根也不会同意和苏联人合伙做ITER。三代托卡马克装置实验取得的成果都能与其理论相互验证，并且一步步逼近点火区域，日本的JT60能效已经超过1，持续时间接近2秒，中国的EAST已经实现了超导状态下的托卡马克，这些都是惯性约束路径所达不到的）——无论是中国的神光还是美国的NIF。当然，科技之路是复杂曲折的，惯性路径也有可能后来居上，取得新突破，这是我等所无法预知的。
另外，ITER项目确实存在不少问题，例如主体太多导致的决策缓慢，七个小矮人能力不一，很容易出现短板影响整体，木桶理论。所以有些小矮人会打各自的小算盘了。。。
核能的利用能走多远，关键在于材料，什么样的材料可以包络住核聚变产生的上亿度的温度？ 这是个问题。
热核聚变需要上亿度的反应温度，并不代表其就需要上亿度的包络材料，电离态的粒子流是在一个真空的环境中沿着磁力线移动，散逸的极少。
据万院士介绍，ITER的包壁材料有三类，主体是铅，其熔点就只有区区三百多度，沸点也只有一千多度，其次在中子容易散逸的区域使用碳合成材料，第三部分是为了自生成氚的锂板。他作为该项目科学顾问委员会主席建议将碳合成材料也改为铅，但还未通过。
另外，热交换循环没有展开介绍，我也就不太了解具体材料了。
我也不专业，了解过一些惯约的现状(业余性质)。
磁约是通过高能电磁约束氘氚的等离子体使其达到聚变反应的条件，由于等离子体是环形约束的连续体，所以强调反应持续性。
惯约是通过高能激光轰击充满氘氚气体的微型靶丸使其达到聚变临界的，它不追求连续反应，而是脉冲打靶。NIF建造时觉得目前192束激光(总能量达1.8MJ)会聚在2mm左右的靶丸上，就应该实现正能量输出(输出能量-输入能量>0)，事实说明目前的设计还没有达到这个要求，可能核物理上、工程设计上还有许多工作要做。
惯约绝对不是仅仅美帝一家做，法国、俄罗斯、日本也都在做，当然这几家重点不在惯约，美帝是两边投资，tg现在“财大气粗”，也试图一个也不落下。
惯约中国人觉得自豪的是，在激光发明不久，王淦昌等人几乎与美帝同时提出激光核物理的思想，不象磁约，开始是学苏联，进口苏联托克马克起家的。
我个人的感觉，目前磁约、惯约都遇到原来没有想到或者以为能够通过工程技术来解决的问题，但现实比理想复杂得多。
但是和美国一样，虽然进步很快，但效果赶不上磁约束。不过失之东隅收之桑榆，激光研究虽然在热核聚变领域进展不大，但在其他领域收获不小
详细是怎样的？请多讲讲吧。