可控核聚變號稱宇宙終極能源，往大了說是宇宙航行的必備條件，往小了說是能讓人類實現無限能源，讓每個人的生活都極度富足的無盡寶藏！
因此多年來，包括我國在內的多個國家，都在為掌握這項可以改變人類生活方式的技術努力着。
這不，近日有消息稱中國新一代「人造太陽」——中國環流器二號M裝置(HL-2M)科學研究又一次取得突破性進展，等離子體電流突破100萬安培，創造了我國可控核聚變裝置運行新記錄。
然而看着新紀錄一次次被打破的消息不斷引發關注，相信屏幕前的你也像我一樣既充滿期待又心懷疑惑！
上圖：中國新一代「人造太陽」(HL-2M)
要知道在世界範圍內，對於如何使用核聚變發電的研究已經進行了60多年，雖然時不時就有實現重大突破的消息被放出，但想實現商用卻始終受到科技困難的阻礙。只看見記錄一次次被打破，可「人造太陽」究竟需要滿足什麼指標才能真正商用？
想要回答以上的問題，咱們得先研究一下太陽！
首先咱們要先明確一個概念，即核聚變是兩個或多個原子核結合形成一個或多個不同的原子核和亞原子粒子的反應。而由於反應物和產物兩者原子核之間存在質量差異，便有了能量的釋放或吸收。
經過測算，產生比鐵或鎳更輕的原子核的核聚變過程通常會釋放能量，並且越輕的元素越容易聚變，但需要注意的是，所謂「容易發生聚變」也只是相對容易而已。
總得來說，發生核聚變的條件始終非常苛刻，需要燃料具有足夠的溫度、壓力和限制時間的密閉環境，以產生可以發生聚變的等離子體。
這些條件組合起來，被稱為勞森判據，即溫度、等離子密度、能量約束時間三個值相乘獲得的數值。
能滿足這些條件的常見環境，只有在宇宙里的恆星中。恆星使用的燃料是氫，而重力提供了非常長的約束時間。
以咱們頭頂的太陽為例，在重力的作用下，太陽中心實現了1500萬K的高溫和 2000億個大氣壓的高壓，使得氫在這個「較低」的溫度就可進行聚變。據說，太陽每秒可融合6.2億噸氫，併產生6.16億噸氦，至今一直持續了46億年。
而在地球上沒有那麼高的壓強，要發生聚變，溫度就需要達到上億K。同時為了降低聚變反應難度，在地球上會使用氫同位素，例如氘和氚作為燃料，因為它們比氫更容易融合，也更容易滿足勞森判據的要求。
既然如此，那咱們離實現可控核聚變還有多久？
以氘氚聚變反應為例，根據勞森判據，其點火常數須大於3*10^21KeV s/m³，且其聚變反應的最低溫度為3千萬度（2.6keV）。而根據目前數據顯示，中國環流器二號M裝置(HL-2M)可達到1.5億攝氏度（12.9keV）的高溫，足以滿足聚變所需的溫度要求。
此外，中國環流器二號M理論上可製造2.5兆安培以上的等離子體電流，現已達到100萬安培（1兆安）的運行新記錄。
然而由於不清楚截面面積，所以咱們暫時無法計算等離子密度（等離子密度為等離子體電流與截面面積的比值），也就無法計算其是否滿足勞森判據。
不過作者注意到新聞報道中提到：「此次全新的突破意味着該裝置未來可以在超過1兆安培的等離子體電流下常規運行。」
所以其應該滿足了聚變所需等離子密度的最低要求。接下來只需要有足夠長的約束時間就行了。因此可以說，離實現可控核聚變越來越近了。
但僅僅滿足勞森判據還不夠實現商用，因為滿足勞森判據只是達到了能夠實現核聚變的閾值。想實現商用，還需要核聚變輸出的能量，大於維持核聚變輸入的能量。而這個判斷標準稱為Q值，表示核聚變裝置輸出能量與輸入能量的比例。
上圖：核聚變裝置內部構造
當Q大於0，就可以說已經實現了可控核聚變，但是能量輸出小於能量輸入不實用。當Q大於1，能量輸出大於輸入，能夠實用了，但輸出效率太低，成本太高。目前大多數核聚變裝置的Q值都在1附近徘徊，剩下的還不到1。
而要想實現商用，Q必須大於10才行。當然，如果條件再提高到某種程度，Q會成為無窮大，也就是說只需要一次「點火」，系統放出的能量就足以支持核聚變持續進行下去，不再需要外界的能量輸入。
目前，有望最早實現Q值大於10的可控核聚變項目，就是幾乎集全球之力的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。成員由包括中國在內的全世界主要核國家組成，覆蓋的人口接近全球一半。但ITER也只是勉強及格，效率最高的還是中國的CFETR項目。
CFETR項目於2017年12月5日在合肥正式啟動工程設計，是中國在全面消化吸收ITER相關技術的基礎上，預先開展的下一代超導聚變堆研究項目。預計到2050年，建設聚變商業示範堆。
CFETR體積約為ITER的85%，在建設方面將採用ITER70%的技術積累，同時在此基礎上彌補了ITER裝置時間短、燃料氚不能自持不能發電等功能。預計Q值將大於25，而ITER才僅僅為10。聚變功率高達200萬千瓦，是ITER的4倍。
由此看來，貌似可望不可及的可控核聚變技術，實際上已經觸手可及。如果CFETR項目真能順利進行，中國將成為首個邁向未來世界的國家。不出意外，咱們也能見證那一天的到來！
