精確計算后確認:核聚變發(fā)電成本不到1分錢一度電這事特么還是真的

中國乃至全球也能排得上最先進的核聚變裝置——BEST的杜瓦底座成功完成吊裝新聞?wù)孀尨蠹曳序v了，別的就不用說了，央視新聞中一句“BEST將首次在國際上驗證演示核聚變發(fā)電，有望在2030年通過核聚變發(fā)電點亮第一盞燈”就足夠了，人類將徹底解決能源問題！

核聚變發(fā)電一旦成為現(xiàn)實，燃料幾乎可以用無限來形容的能源將會讓人類文明進入一個新領(lǐng)域！然而種花家卻發(fā)現(xiàn)了一個問題，經(jīng)過精確計算后發(fā)現(xiàn)，核聚變發(fā)的電單獨燃料成本就可能高達3塊半一度，要是再加上研發(fā)建設(shè)與設(shè)備折舊，這個電還不得5~10塊錢/度，這特么誰用得起？

可控核聚變技術(shù)有多難？全球最頂尖的技術(shù)也只達到了要求的十分之一

核聚變、量子計算機，人工智能是二十一世紀最有希望的頂級科技突破，準確一點說，這幾個領(lǐng)域中核聚變應(yīng)該是最早展露出曙光的，從1950年第一顆氫彈爆炸后不久的1951年，美國科學家萊曼?史匹哲（Lyman Spitzer）就提出了通過類似8字形的螺線管產(chǎn)生有別于傳統(tǒng)環(huán)形磁場的磁力線，以達到約束等離子體達到核聚變的目的。

仿星器磁環(huán)結(jié)構(gòu)

1954年，蘇聯(lián)物理學家伊戈爾?塔姆和安德烈?薩哈羅夫根據(jù)奧列格?拉夫倫蒂耶夫信中的概念提出了托卡馬克結(jié)構(gòu)的核聚變裝置，1954年，第一個托卡馬克裝置在原蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所建成。1958年，第一臺托卡馬克T-1開始運行。1968年，蘇聯(lián)的T-3托卡馬克裝置上產(chǎn)生了1千萬度等離子體。

托卡馬克結(jié)構(gòu)

簡單一點說就是核聚變領(lǐng)域最早就開始實質(zhì)性的研究了，并且進展相當不錯，當年預(yù)計就是在二十世紀末將實現(xiàn)商業(yè)核聚變發(fā)電，也就是大約需要50年的時間來突破核聚變技術(shù)，但這個時間表從1970年代被推遲到到到2020年左右，到1990年代被繼續(xù)推遲，核聚變成了永遠都需要者無法被跨越的50年，所有有網(wǎng)友認為核聚變就是個騙子工程！

可控核聚變技術(shù)到底有多難？

核聚變說難不難，全球能實現(xiàn)實質(zhì)性意義上核聚變的國家至少有5個，簡單一點理解，自家有氫彈的都實現(xiàn)了核聚變技術(shù)。再一個就是距離地球最近的恒星——太陽的核心每一秒都有6億噸氫元素發(fā)生核聚變，產(chǎn)生400多萬噸的質(zhì)量損失，轉(zhuǎn)化為源源不斷的能量。太陽上正在發(fā)生的核聚變反應(yīng)稱為質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)：

質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)（Proton-Proton Chain Reaction，簡稱 P-P 鏈）是太陽及低質(zhì)量恒星（質(zhì)量＜1.3 倍太陽質(zhì)量）能量的主要來源，其本質(zhì)是4個氫核通過多步核反應(yīng)聚變?yōu)?個氦核的過程。這個在太陽上每時每刻在發(fā)生的核聚變反應(yīng)的條件對人類來說實在是太變態(tài)了，所需要的條件基本上是這樣的：

1. 極端高溫（≥1000萬攝氏度）——突破質(zhì)子間的庫侖斥力
2. 極高密度（≥100克/立方厘米）——提升質(zhì)子碰撞概率

第一個條件倒是很容易達到，上文已經(jīng)說了，1960年代前蘇聯(lián)的托卡馬克裝置就達到了1000萬℃，但是極高密度就很麻煩了，這個100克一立方厘米簡直就不可能，是黃金的5倍，地球上最高密度的元素鋨密度也只有22.59克/立方厘米，很明顯這是個不可能完成的任務(wù)。

不過PP鏈反應(yīng)達到這兩條外還不夠，因為PP鏈分成3個主要階段5步細分反應(yīng)，其中第一步質(zhì)子聚變生成氘核的過程，兩個質(zhì)子至少需要10億年才有一次機會，需要慢慢積累，很明顯人類是等不起這個過程的，所以用PP鏈反應(yīng)作為核聚變的操作顯然不現(xiàn)實！

那么怎么辦呢？完全不用擔心，因為太陽系本身就是超新星爆炸后形成的產(chǎn)物，地球上的元素全部繼承自上一次或者多次恒星演變后的形成物，其中就有大量的氘，就是大家俗稱的重水，售價嘛還真不是很貴，大概8~9元/克。

PP鏈中的反應(yīng)的第二步是氘和氕（氕氘都是氫的同位素），但是氕氘反應(yīng)如果沒有那么高壓強的話需要十億度或者更高的溫度才行，所以科學家還是知難而退了，選擇了另一種條件更低的氚，也就是氫的第三種同位素作為核聚變的材料。

也就是氘（D）氚（T）反應(yīng)，這個條件就低很多了，比如氫彈的裝藥就是氘和氚，DT反應(yīng)的臨界值大約為1.5億℃，壓力≥10?大氣壓，原子彈爆炸差不多能達到這個條件，當然可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計將原子彈爆炸產(chǎn)生的X射線輻射壓產(chǎn)生極高的壓力，遠超DT反應(yīng)的臨界條件，瞬間完成聚變反應(yīng)，這就是氫彈爆炸的簡單過程。

這就是1952年時已經(jīng)完成的過程，不過我們目前需要的不是氫彈型的那種不可控聚變反應(yīng)，而是需要可控核聚變反應(yīng)！這個托卡馬克或者仿星器核聚變裝置就是利用氘氚混合物形成的等離子體，將其加熱到極高溫，然后利用磁場約束在一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)完成聚變反應(yīng)的過程。

托卡馬克環(huán)形腔體內(nèi)的等離子體約束過程

利用磁場約束有兩個目的，一個是方便加熱，另一個是將這種極致的高溫等離子體利用磁場與核聚變裝置的內(nèi)腔隔離，避免高溫等離子體破壞內(nèi)壁。這就是磁約束核聚變的簡單過程，這種磁約束核聚變需要幾個非常關(guān)鍵的條件：

1. 對等離子體持續(xù)加熱：等離子體是個導電體，在磁約束腔內(nèi)植入線圈，施加交變磁場時即可在這個環(huán)形等離子體內(nèi)感應(yīng)出強大的電流，形成渦流加熱，不過這種加熱模式有個問題，就是越是高溫電阻越大，加熱效果越不好；再往后就要用中性粒子碰撞實現(xiàn)更高溫加熱或者射頻加熱等模式；
2. 等離子體約束維持時間：想要讓更多的氘氚原子核實現(xiàn)碰撞并聚變，那么需要更高的等離子體密度和更高的溫度，同時還要更久的時間；然而等離子體是一團到處亂竄極高溫火環(huán)，想要用磁場這個無形的牢籠將其囚禁，難度極大！

到目前為止，最高溫等離子體的約束時間是由中國的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創(chuàng)造的。2025年1月20日，中國的EAST裝置成功實現(xiàn)了上億度1066秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄，相當于運行了17.7分鐘，這個數(shù)據(jù)遙遙領(lǐng)先。

但是距離真正的核聚變“點火”并自持的條件還有多遠呢？DT反應(yīng)的條件除了溫度和約束時間外，還有另一個硬性指標，也就是等離子體的密度，氫彈的“扳機”原子彈爆炸時核心很容易達到≥10?大氣壓，但是托卡馬克反應(yīng)腔體的等離子體密度很低，目前的公認的點火閾值條件為：

“點火閾值”（反應(yīng)能量自給自足的最低標準）約為1021m^-3?K?s（即1億度?1021 粒子/立方米?1秒）

而中國的EAST能達到的密度是多少呢？1.2 x 10^20/m^3，只有點火閾值要求的1/10，也就是說還需要加大10倍的密度，或者約束更長的時間，所以各位明白這玩意兒為什么70多年過去了還在使勁折騰，因為這條件實在太變態(tài)了，全球最頂尖的技術(shù)也只是達到了閾值要求的1/10而已！請問這可控核聚變算不算地獄級難度？

2塊錢一度的核聚變電能：到底是誰才用得起？

上文我們知道了可控核聚變發(fā)電的“燃料”為什么要選氘和氚，那么接下來要討論下核聚變發(fā)電的成本，首先聲明下，從上世紀1950年代開始到目前的研發(fā)成本以及ITER與EAST和BEST還有各國的核聚變裝置成本統(tǒng)統(tǒng)不列入計算，僅僅是從燃料成本推算出每度電的成本：

• 燃料總量：1克（氘氚混合物）
• 完全聚變后釋放的總能量：3.38×10^11焦耳，如果完全轉(zhuǎn)換為電能約合9.39萬度電

氘的成本上文已經(jīng)有了，大約9元/克，這個成本對于幾萬度電的成本幾乎可以忽略；那么氚的成本是多少呢？大約是3萬美元/克。問題來了，氘氚混合物要完全反應(yīng)的話比例應(yīng)該是多少呢？

從方程式可見，1個氘核與1個氚核恰好完全反應(yīng)（粒子數(shù)配比為 1:1，只有當兩者的粒子數(shù)量相等時，才能最大限度避免某一種燃料過剩，確保反應(yīng)效率最高。如果按原子核數(shù)算，大概是2比3三的比例，但工程應(yīng)用上因為氘和氚都是氣態(tài)，需修正分子結(jié)構(gòu)影響，因此最終的燃料質(zhì)量比大概是1比2，也就是1克氘氚混合物中，1/3克是氘，2/3克是氚，竟然最貴的氚還占了大頭。

那么1克氘氚混合物的成本大概是9人民幣*1/3+3萬美元*2/3=142401人民幣

那么每度電的成本就出來了，大概是1.5元人民幣一度，請注意是這是直接成本！并且還是能量轉(zhuǎn)換率100%的成本！那么實際的轉(zhuǎn)換比例是多少呢？因為核聚變發(fā)電其實也是燒水產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機再帶動發(fā)電機，從燒水這段開始后其實和燃煤電廠的過程是差不多的。

目前典型的燃煤電廠從標準煤到電能的熱值轉(zhuǎn)換效率大約在42.36%左右，那么這個氘氚混合物發(fā)電的成本將會暴增至3.54元/度。這個電價大概是目前民用電價的7倍，請問這個價錢到底是哪路神仙才能用的起？所以說這核聚變發(fā)電就算搞出來了還是用不起，為什么還要費勁巴拉去搞核聚變呢？

答案來了，還有一種極低成本的增殖模式

在BEST建成后有兩個重大任務(wù)需要驗證，一個是“驗證演示核聚變發(fā)電”，另一個則是驗證“氚增殖系統(tǒng)能不能正常運行”，氚氫的第三種同位素，自然界中痕量，并且半衰期只有12.3年，自然界中原生氚來自宇宙射線與大氣的相互作用，這個本來量就極低，加上半衰期過短，所以含量極低，無法有效富集與開采！

目前的氚主要是來自核反應(yīng)堆中生產(chǎn)，其過程是鋰-6和鋰-7在獲得高能中子后生成氚，目前天然鋰就是鋰-6（7.5%）和鋰-7（92.5%）的混合物，兩者在捕獲中子后都能生成氚，其過程如下：

鋰-6的反應(yīng)對中子能級沒有上下限要求，反應(yīng)截面比較大，所以在氫彈中用的就是鋰-6被原子彈中子轟擊形成氚再和氘反應(yīng)。鋰-7的反應(yīng)過程如下：

鋰-7有反應(yīng)閾值，當中子能量＞1 MeV 時才能發(fā)生，并且鋰-7在反應(yīng)后還會生成一個中低能級中子，大概是0.8MeV，這個中子也非常有用，下文會繼續(xù)扒！核反應(yīng)堆中的中子確實不少，但要用這些中子去轟擊鋰產(chǎn)生氚，并且氚還要以克計時，這個成本就會變得非常高，因為要2.07×1023 個氚原子才能湊出一克！

所以各位肯定是明白了，這個氘氚核聚變的關(guān)鍵是需要多出一個中子，這樣就能讓鋰產(chǎn)生氚，在反應(yīng)堆中增殖并持續(xù)完成聚變！那么氘氚聚變能符合要求嗎？請看如下氘氚反應(yīng)方程式：

看到了嗎？有一個中子產(chǎn)生，這個中子的能級大概是14.1MeV，完全符合鋰-7捕獲后產(chǎn)生氚的要求，同時鋰-7在這個反應(yīng)過程中還會產(chǎn)生一個0.8MeV能級的中子，這個無法讓鋰-7反應(yīng)，卻能讓鋰-6反應(yīng)，所以完全可以用天然鋰（含有7.5%的鋰-6）作為內(nèi)壁的增殖材料，同時再補充氘即可讓這個聚變反應(yīng)堆不斷持續(xù)下去。

那么問題來了，天然鋰的成本是多少呢？99.9%的金屬鋰國內(nèi)有色金屬交易的掛牌售價范圍是 600000-620000元/噸，約合0.6元一克，按這個成本，我們再來算一算一度電的成本大概是多少，大概是0.00010223元/度，要是按42%的效率算，大概是0.0002434元一度電，也就遠遠不到1分錢左右！所以傳說中的核聚變電力不到一分錢一度電還特么是真的！