這是事實(shí)：核聚變發(fā)電？別逗了，東方超環(huán)帶不動(dòng)一臺(tái)微波爐

這兩天又傳出“核聚變發(fā)電離我們只有20年的說法了”，不是離我們還有50年嗎？怎么快了那么多？粉絲要W君說說。

那今天的文章又會(huì)讓很多人不高興，甚至難以接受了。不過咱們還是展開講講。

所謂的“東方超環(huán)”是指Experimental Advanced Superconducting Tokamak，先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，縮寫就是EAST，恰好和東的英文相同，因此叫做“東方超環(huán)”了。但“Experimental”這個(gè)詞已經(jīng)給出了東方超環(huán)的基本身份認(rèn)定——就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，是為了某種猜想和假設(shè)定義所建造的一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。用大家能理解的話簡(jiǎn)而言之的說就是我們的國(guó)家、我們的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)壓根兒就沒指望著這臺(tái)設(shè)備發(fā)電盈利。

因此這個(gè)東西就只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，和商業(yè)沒任何關(guān)系。是一臺(tái)即便往里面投入幾千幾萬億，也只是為了得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果而存在的設(shè)備。

那么這個(gè)設(shè)備為了驗(yàn)證什么？實(shí)際上就是為了驗(yàn)證能不能利用全超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)約束托卡馬克裝置中的聚變材料產(chǎn)生核聚變。

所以，當(dāng)我們聽到東方超環(huán)的新聞，大多數(shù)都是聽到磁約束的等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行多少多少秒。并不會(huì)聽到這個(gè)東方超環(huán)發(fā)出多少電。雖然在很多新聞中也會(huì)報(bào)告電流的指標(biāo)，但那些電并不是東方超環(huán)發(fā)出來的，而是外部的發(fā)電站所供給給這臺(tái)設(shè)備的。

所以說東方超環(huán)“帶不動(dòng)一臺(tái)微波爐”，并不是故意貶低，而是就事論事。你如果真的拿個(gè)功率計(jì)來量，東方超環(huán)自己一秒鐘都不能發(fā)出哪怕1瓦的凈能量。甚至連維持自身運(yùn)行都要靠外部電網(wǎng)的高壓直流大功率饋電系統(tǒng)源源不斷地供能。

那么，口說無憑，東方超環(huán)聚變到底能有多大能量輸出呢？咱們是可以根據(jù)公開資料來計(jì)算的。從公開的很多媒體圖片來看：

這是東方超環(huán)第150425次點(diǎn)火試驗(yàn)，等離子體電流為4376.45安，這次點(diǎn)火的脈沖的時(shí)間為1066.76秒，但是這張圖并不全。

更全的圖片是這樣的，這里面有一個(gè)很多人會(huì)忽略的要點(diǎn)：

設(shè)備的內(nèi)真空是萬分之一帕斯卡的級(jí)別，對(duì)應(yīng)于我們現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa，這個(gè)數(shù)值就已經(jīng)是高度的真空了，也就是大約10億分之一的大氣壓。

在這種環(huán)境下被我們看成一團(tuán)的等離子體相當(dāng)稀薄幾乎等于沒有。那么能產(chǎn)出的能量有多大呢？在合肥所在《聚變工程和設(shè)計(jì)》雜志上發(fā)表的論文《Radioactivity study of EAST structural materials based on neutron activation system（基于中子活化系統(tǒng)的EAST結(jié)構(gòu)材料的放射性研究）》中我們可以找到端倪。

“氘氘（DD，D-D）反應(yīng)為主要的聚變反應(yīng)……目前中子生成率為1 x 101? n/s”，也就是說在EAST裝置運(yùn)行的時(shí)候每秒鐘由聚變所產(chǎn)生的中子數(shù)量已經(jīng)突破了100萬億（100000000000000）個(gè)。這個(gè)數(shù)字寫出來要比很多人的手機(jī)號(hào)還長(zhǎng)，相當(dāng)大！

氘氘反應(yīng)是什么呢？

通常氘氘聚變反應(yīng)有兩個(gè)路徑，第一個(gè)是

兩個(gè)氘原子融合為一個(gè)氦3原子并放出一個(gè)中子，在這個(gè)反應(yīng)中釋放出3.27兆電子伏特的能量。

第二個(gè)是

兩個(gè)氘原子融合為一個(gè)氚原子并放出一個(gè)質(zhì)子，在這個(gè)反應(yīng)中釋放出4.03兆電子伏特的能量。

在氘氘反應(yīng)中，這兩種路徑發(fā)生的概率各為50%。所以，在氘氘反應(yīng)中我們看到了一個(gè)中子的產(chǎn)生，就可以估算反應(yīng)所釋放出的能量為3.27 + 4.03 = 7.3兆電子伏特。

中子生成率為1 x 101? n/s 其實(shí)也就代表了每秒有200萬億次的氘氘反應(yīng)，釋放出100萬億個(gè)7.3兆電子伏特的能量 7.3 x 101? MeV

數(shù)量看是很大吧？但是這是高能物理中所使用的能量單位，如果是轉(zhuǎn)換為我們宏觀的能量單位焦耳呢？ 這里有轉(zhuǎn)換公式1 MeV = 1.602 x 10 ?13J

也就是釋放能量為 （7.3 x 101?） x （1.602 x 10 ?13）= 73 x 1.602 焦耳，也就是116.946焦耳。每秒都是這樣，我們?cè)俪悦耄涂梢园褑挝粨Q算成我們熟悉的單位“瓦”了，聚變能量大約是117瓦。

這個(gè)1 x 101? n/s 的中子產(chǎn)生率是2023年的論文中提到的EAST的一個(gè)數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在的EAST進(jìn)步了，但是還沒有達(dá)到數(shù)量級(jí)的飛躍，因此在1066秒的點(diǎn)火試驗(yàn)中，咱們不能給這個(gè)數(shù)值翻10倍，打個(gè)折扣翻5倍，也只有不到600瓦的聚變功率。

一臺(tái)普通家用微波爐的功率大約是800瓦，這個(gè)EAST聚變的能量還就真的帶不起來。1066秒的時(shí)間一共產(chǎn)生的能量能做什么呢？說來可能讓你笑了：

如果不計(jì)損失，可以供上面這種大約1.5升的電熱水壺?zé)齼蓧亻_水……如果計(jì)算損失，恐怕這壺水也燒不開。

為什么會(huì)這樣？

前面說了，這個(gè)EAST東方超環(huán)內(nèi)部是一個(gè)幾近真空的環(huán)境，可以聚變反應(yīng)的氘還很少很少，本身反應(yīng)物的量幾近于沒有，也就別太幻想這些幾近于沒有的物質(zhì)可以釋放出太多的能量了。

大費(fèi)周章的搞成這樣，代表我們失敗了嗎？憑良心說還真不是！其實(shí)開頭就說了——東方超環(huán)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，它和我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)的意義是一樣的，只是幫我們揭示一些原理層面的概念。正如東方超環(huán)自己的研究方向所定義的一樣：

這是一個(gè)探索和研究的裝置，并不是很多人認(rèn)為的商業(yè)化項(xiàng)目，不僅這個(gè)項(xiàng)目我們沒有失敗，相反在取得的成績(jī)上看，EAST都是目前全球托卡馬克實(shí)驗(yàn)中最成功的之一，特別是在長(zhǎng)時(shí)間等離子體控制、全超導(dǎo)磁體運(yùn)行、穩(wěn)定態(tài)驗(yàn)證方面是全球第一梯隊(duì)。

我們沒有失敗，只是沒有完成很多自媒體幻想中“點(diǎn)亮地球”的那種魔術(shù)演出而已。

最后一個(gè)問題——是20年還是50年？

本質(zhì)上這個(gè)問題并不是一個(gè)有意義的問題，因?yàn)槲覀円琅f是在搞實(shí)驗(yàn)，目前等離子體可以算是穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行十幾分鐘了。但是如何從這些等離子體中攫取能量我們還做不到。

雖然，EAST已經(jīng)是實(shí)驗(yàn)裝置的最后一個(gè)環(huán)節(jié)馬上我們要建立實(shí)驗(yàn)堆了。但是我們現(xiàn)在還沒有有效的找到一種從聚變等離子體中分離能量的方法，很多人所想象的聚變了有熱量，繼續(xù)燒開水的想法對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聚變堆來說就又一次增加了這個(gè)堆的復(fù)雜度了，很可能完全打破實(shí)驗(yàn)所得到的理論理想結(jié)構(gòu)，讓我們?cè)俅螐念^開始。

還有諸如聚變-裂變堆的設(shè)計(jì)，利用鈾-238吸收聚變反應(yīng)所釋放的中子就又回到了裂變的路子上，效率雖然提高，但但也意味著我們千般努力卻還逃不出裂變反應(yīng)堆的影子，聚變成了“催化劑”……

即便如此，聚變-裂變堆的設(shè)計(jì)目前還停留在CAD圖的階段。

而中核工業(yè)的研究目前也僅僅進(jìn)行到了論證環(huán)節(jié)，這東西也是屬于沒有1、20年還見不到開機(jī)鍵在哪里的想象階段而已。

所以“是20年還是50年？”現(xiàn)在討論這種問題還為時(shí)尚早。