“可控核聚变”将来会替代石油成为汽车动力来源吗？

问题描述：“可控核聚变”将来会替代石油成为汽车动力来源吗？

领域专家：

这是什么意思？是想要把核聚变反应堆小型化吗？并且小型化成为汽车的发动机？我想这怕是有点难度吧。

核聚变指的是两个较轻的原子核聚合成为一个较重的原子核的过程，这个过程会伴随着释放巨大的能量。自然界中最容易实现的核聚变反应是氢的同位素——氕和氘的聚变，我们的太阳，其内部进行的核反应就是氕氘聚变反应，并且这种反应已经进行了50亿年了。50亿年的时间，不用消耗很多的核燃料，太阳会一直发光发热，核燃料一直以来都是被誉为清洁能源，因为仅仅几百千克的核燃料就可以制造出巨大的能量。现在人类利用的核能是裂变能，还没有掌握可控聚变能。

可控核聚变又被称为人造太阳，它和太阳的原理是相似的，但是又有一些不同，因为太阳内部的聚变，反应是很激烈的，但是如果想要人为控制这个反应的话，那么反应就不能太过激烈。核聚变相比于核裂变有很多的优点，比如说核聚变不会产生像核裂变一样带来的长期和高水平的核辐射，不会产生核废料，当然也不会产生温室气体，基本上是环境友好型燃料。可控核聚变为人类提供清洁、安全且取之不尽的能量，是人类解决能源问题的终极希望。

很久以前，科学家就希望发明一种装置，这种装置可以有效控制氢弹爆炸的过程，让能量源源不断持续稳定输出。这个想法是好的，但是实现起来却没有那么容易，原因就在于核聚变的条件太苛刻了，最苛刻的条件就是温度了。核聚变最麻烦的条件就是需要瞬时上亿温度的高温才能引起核聚变反应。但是如此高的温度，怎么能达到呢？就算是达到了，这么高温度的等离子体，该用什么东西盛呢？要知道氢弹是用原子弹点燃的，不然达不到氢弹爆发的温度。所以温度是第一个问题。

先来说说怎么解决温度的问题吧，简单一点来说，从最早开始，前苏联的专家就考虑用激光加热核聚变的原料，但是这种方法有一个问题就是单个激光的温度过低，所以为了解决这一问题，就需要多个激光对着同一点加热，只是这可没有想象中的那么容易，因为必须保证被加热的物体所有方向都均匀受热才行。说完了这个，再来说说怎么盛的问题吧，当然了，上亿摄氏度的物质，在地球上还没有任何容器能够承受得起，所以人们就想到了一个办法，那就是用一个磁场将这些高温物质约束在一个密闭的环中，实现变相地盛放。这种我们称为磁约束。

前不久听说中国在人造太阳方面取得了突破性进展，但是别高兴太早，因为距离真正制造出来还远着呢。目前看来，虽然温度可以满足条件，等离子体也有方法可以约束，但是还有一个条件就是如何稳定运行的问题，一般而言现在能够运行一分钟就算不错了，所以还是得加油啊。至于说放到汽车里面，我总觉得不太现实，毕竟这个玩意搞不好就发生意外，而且是这么小型化，就更不容易了。只是如果真的有一天人造太阳造出来了的话，地球上就不会再有能源危机了，石油当然也就可以被代替了。

领域专家：可控核聚变在未来实现民用化，成为替代化石燃料的能量来源，这是完全有可能的。而且人类的文明想要发展到更高的水平，这一步也是必然之路。

人类现在已经可以实现核聚变反应，那就是氢弹爆炸，其本质反应是氢的两种同位素——氘和氚，发生核聚变反应。但氢弹爆炸的能量释放是不可控的，所以这种能量不能被用来转变为其他能量而用于人类的生产和生活。

可控核聚变的最大难点在于如何应对极端的高温环境。在恒星的核心中，由于巨大的引力坍缩效应使得那里的温度和压力高到足以引发核聚变反应的程度。但人类制造的装置不可能承受极其巨大的压力，只能想办法升高温度。可控核聚变所需的温度将会超过一亿度，这甚至比温度只有几千万度的恒星核心还要热，我国在2018年已经实现了一亿度的等离子体运行。目前提出的可控核聚变装置主要有两种，一种是磁场约束的可控核聚变，还有一种是激光约束的可控核聚变。

在可控核聚变被掌握之后，距离发展到民用还要很长的路要走。因为这种装置必然是一个庞然大物，就像最初的计算机那样。但随着技术的进步，可控核聚变装置将会逐渐小型化，这都是水到渠成的事情。到了那时，核燃料替代石油作为汽车的能量来源是完全有可能的。

可控核聚变的实现必将会引发新一轮的工业革命，其意义就像当年引发第一次工业革命的蒸汽机那样。可控核聚变能够让人类一劳永逸地解决能源问题，并且还让我们走向星际时代。

领域专家：第一代可控核聚变反应燃烧的是氘和氚。氘在海水中大量存在，是氢的约1/7000，又叫做重氢。按现在的能源消耗量，能用上百亿年。

氚是一种半衰期只有12.43年的放射性同位素，又叫做超重氢。氚衰变时只会释放出电子，不会穿透人体皮肤，除非大量吸入才会对人产生危害。氚在自然界的含量非常稀少，但可以通过用中子轰击锂人工合成。

可控核聚变可以满足人类未来无穷无尽的能源需求，几乎是用不完的。但是其聚变材料的提取和合成成本还是较高，最关键的是可控核聚变反应堆的制造条件太苛刻，它要提供非常高的压力和上亿度的反应条件才能使氘和氚发生核聚变反应。也是人类现在还没能研发成功的原因。

可控核聚变反应堆主要用来发电，发电的原理和现在的燃煤电厂、核电厂、天然气发电厂一模一样：利用反应堆释放出的热量将水加热为高压、高温的蒸汽带动汽轮机，由汽轮机带动发电机发电。总的来说，就是换一种燃料把水烧开。

图：钢铁侠

钢铁侠的动力装置就是位于他胸口的微型可控核聚变反应堆。但这只是科幻电影。想和钢铁侠一样，直接利用可控核聚变反应带动汽车前进是未来两百年做不到的。但可以用其产生电力，然后通过电池存储的电力带动汽车，这和现在的方式一模一样。

领域专家：可能性非常大，而且也会是人类文明再次完成蜕变的一个风水岭！

诚然，最近几百年时间，人类科技发展非常迅猛，我们已经进入了一个高度发达的文明时代，这一切都太我们的能量消耗和利用密切相关！

电，是改变人类生活方式自己文明变革的重要因素，但人类发电的能量来源大部分还是来自煤和石油，当然还有水资源。同时，我们如今使用的能源当中，化学燃料能源占据主导地位！

但本质上来讲，我们如今利用能源的方式与古人类没有什么区别，都是利用的化学燃料能源，利用化学反应。比如说火箭发射升空的动力推进系统就属于化学燃料，本质上与古人类燃烧材火是一样的！

而可控核聚变是一种全新的能量，它既不是物理反应，也不是化学反应，而是原子内部更细小结构的重新组合过程中释放出来的巨大能量！

这种能量是巨大的，而且效率非常高，燃料也几乎可以说取之不竭用之不尽，因为氢是宇宙中最丰富的元素！

目前人类利用的核聚变能源基本都是不可控的，比如说核武器，核能发电厂等，如果有一天很能像电能那样如此普及，人类文明将彻底进入新时代，甚至直接迈进真正的星际旅行时代！

而我们前期刚刚研发成功的温度高达一亿度的“人造太阳”让我们向可控核聚变迈出了坚实的一步，期待“可控核聚变”完全取代石油煤等传统能源的到来！

领域专家：“可控核聚变”将来会替代石油成为汽车动力来源吗？

从理论上来说，在可控核聚变成功之后的很长一段时间内都不可能代替石油成为汽车的动力来源！核聚变之后能源取之不尽，为什么不能作为汽车的动力来源？难道还要烧石油污染空气吗？其实完全不是这样！在可控核聚变和汽车的动力来源还有一条鸿沟必须跨越，那是什么呢？

一、核聚变堆小型化

假如要装到汽车里的话，核聚变堆必须小型化，因为汽车发动机都不超过1立方米，而现在的核聚变堆（尚未成功）跟一栋大楼差不多，如果要成为汽车发动机的话，这显然不行！如果那么巨大甚至连航母发动机都是个大问题，更不要说汽车了！

这是核聚变堆与人体的大小比例，可想而知这个有多巨大！即使小型化也很难缩小到汽车里，因此在可控核聚变堆成功之后也不可能成为汽车动力！

二、利用核聚变堆的电能

这是最简单的一种方式，这其实与可控核聚变堆成功与否也没什么关系，因为电能来源非常广泛，比如太阳能、风能、水利、潮汐等，因为非高峰时间段的电能都是弃用，弃光、弃风以及水资源非常丰富的雨季则下泄过剩的水资源，非常浪费！因此电动汽车即使不实现可控核聚变一样非常有前景！

假如可控核聚变堆成功，对电动汽车来说更是多了一个电能来源！但现在的电动汽车缺少一个极为关键的环节，就是如何储藏电能，简单的说就是电池技术并没有让大家满意！不但电池能量密度低，而且衰减比较严重，还有夏冬的温差等问题，落入了电动车看上去很美，但最好让隔壁先买的怪圈！

因此结论也非常简单，可控核聚变和电动汽车没啥关系，可控核聚变也不肯直接成为汽车动力！

领域专家：关于这个问题其实关键是有木有可能做出那么微型的可控核聚变装置。

虽然我们国家在可控核聚变的领域是出于领先的，但还远远不是可以商用的水平。或者说那个阶段还远得超乎我们的想象。

那假设我们现在就是做到了这一点，能把可控核聚变装到汽车里，那以后会这么用么？答案是：这车咋不上天呢？这都让我想起了蝙蝠侠的车子了。

要知道核聚变的能源效率远远高于石油，如果都可以用上这个东西了，把车子做成飞机算了，妥妥地飞的起来，环游地球好几圈都不是问题。所以如果有朝一日我们可以把可控核聚变做成一个微小的装置，那说明我们的科技已经发达到相当恐怖的水平。那时候还用开汽车？这真的不好说了，不过那个时候的交通工具肯定用可控核聚变最为划算，毕竟又清洁，又轻便，还很高效。

领域专家：答：不太可能作为直接能源，因为可控核聚变无论在技术上，还是在安全上，都不适合直接给汽车提供能源；最大的可能是作为次级能源，先在核电厂转化为电能，在把电能作为汽车的储备能源。

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可控核聚变是人类最想突破的能源技术，一旦成功就能彻底解决人类的能源问题，至少在接下来的数万年间人类不再为能源担忧。

估计算，一升海水中的氘核发生聚变，就足以让一辆小车在“北京-上海”间跑几个来回，可见核聚变中隐藏的能量是巨大的；但是把核能作为汽车的直接能源是不可行的，理由有以下两点。

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小型化

核聚变反应需要在超高温下才能进行，至少得1000万摄氏度，需要庞大的设备才能产生这样的极端条件，要把整个装置塞进小车内，几乎是不可能的，或许未来可以用在星际航行的飞船中。

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安全问题

就算未来能发明小型核聚变装置，也难以直接用在汽车上，因为核聚变一旦失控就是一颗超级炸弹，很容易被不法分子利用，对社会来说是非常危险的。

比较合适的方式，就是电厂利用核聚变生产电能，电能再输送到用户端，汽车通过蓄电池把能源储存起来，再把电能作为汽车动力来源。

目前最大的难题，就是电池的储能密度太低，当今科技急需来一次电池技术上的革命；或许在未来，汽车只要冲半小时的电，就能行驶上千公里。

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领域专家：我们要面对的一个问题是如果“可控核聚变”实现，那时候还会有汽车吗？说不定都是开的会飞的车？那到底什么是可控核聚变呢？

可控核聚变就是可以自助控制的核聚变，太阳是太阳系的主要能量来源，太阳为人类提供了主要能源，像植物得需要光合作用才可以为人类提供氧气。那么太阳为什么会发光，为什么会发热，为什么会辐射，那是因为太阳的中心内核部分在发生着核聚变。所以太阳才会发光，而并不是在燃烧。

当然了，太阳所发生的核聚变是不可控的。核聚变其实就是原子与原子相互碰撞结合成一个更大的原子，产生所释放的能量。而满足核聚变的条件，就得温度足够搞，像原子弹就是利用自身爆炸释放的高温来产生核聚变。使得自身释放巨大的能量，目前世界上所拥有的原子弹足够摧毁地球上的生物好几次。

所以说核聚变所释放的能量是巨大的，我们现在只能实现的是“不可控核聚变”——像现在的氢弹，原子弹。而如果实现可控核聚变，那我们就有用之不竭的能源，那时候我们就造光速飞船，飞往其他小星系，我们也会在地球上建立很高很高的楼，或者说基地更合适一点。我们的交通工具嘛！不能再是二维化的汽车，当然要会飞起来。到时候人们都不用干活，全交给机器人，那个时代应该会很无聊吧！也许呢说不定虚拟现实就出现了。。。。。。

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领域专家：可控核聚变的研究已经持续半个多世纪了，目前最多只能让维持可控核聚变的托卡马克装置连续运行几百秒

第二次世界大战期间美国就在芝加哥大学建造了第一个可控核裂变反应堆，后来更是制造出了不可控核裂变的原子弹，原子弹问世后就为氢弹的诞生打下了基础，因为只有原子弹爆炸瞬间的高温高压才能触发核聚变反应。

核武器的威力虽然巨大，但并不能用于日常生活，现在的核裂变发电站安全性虽然很高，但核燃料到期后仍然有很强的放射性，而核聚变几乎不产生任何有害辐射，可控核聚变也因此成为了各国都想研究成功的超级能源。

科学家们认为在半个世纪内可控核聚变就能产生突破性进展并且投入商业应用，到时候人类就能摆脱以前的所有能源，地球海水中含有的40万亿吨氘足够人类使用上百亿年。

未来的可控核聚变很可能会被打造成新一代核电站，到时候人类将拥有近乎无限的电力

目前已经有科学家在研究“无线供电”了，未来的可控核聚变发电站产生的巨额电力将充满整个地球，虽然大部分电力都会被损耗或者消失，但是剩下的一小部分电力仍旧能满足全人类的电力需求，到时候所有用电的设备都不需要进行充电。

现在的电动汽车已经开始慢慢崛起了，可控核聚变产生的电力在未来也能被汽车接收，到时候所有汽车都能一直行驶。

可控核聚变的实现必将让人类文明跃升到一个新高度，更加璀璨的人类文明可能在本世纪末就会出现

领域专家：有可能，因为微型的核聚变是容易实现的，至少目前人类已经制造出了微型核聚变设备，例如全球每年生产的那几百台微型的中子发生器（用于石油探测），就是不那么奢侈的核聚变设备。但要把“人造太阳”那种热核聚变方式制作成为汽车便携的能源，估计困难太大，因为温度太高。

快速讲一下核聚变启动的几种方式热核聚变——完全靠高热来实现启动聚变，因为那时候原子核的热动能已经高到撞到别的就聚合的程度。所以只要温度够高，就能发生。氘氚热核聚变的门槛温度是12亿开尔文。这一种估计只有在恒星里面才能实现。但恒星的核聚变实际上是引力约束的核聚变。没有约束热核聚变也无法持续，因为原子密度降低后，温度就会降下来。惯性约束聚变——给聚变原材料加压，通过提升压力来降低核聚变温度，也就是温度可以不高，但是让原子核靠得更紧，高速原子核对撞的几率会成倍增加，这样理论上最高可以把原子核的动能需求降低到一半。惯性约束有很多办法，氢弹就是用这种原理造的，这也是目前广泛采用的人工可控核聚变方案。惯性静电约束——利用静电场来加热和约束核聚变原料的等离子体，使其发生聚变。此技术相对比较不成熟，但很可能是最适合可控核聚变小型化的方案，只要有原料，在家都能造出来。（后面有详述和图）束对束（BB）或束对靶(BT)聚变——通过将聚变原料原子核加速后对撞或者原子核撞击静态原料来产生聚变，这是最容易实现的路径，但能量不强，这是目前最小型化的核聚变装置，结构简单。下面要讲。μ子催化聚变——将核聚变材料例如氘氚原子中的电子替换成为μ子，从而使得聚变材料的原子互斥力降低，使得原子核靠得更近，以至于可以在较低温度下（甚至常温下）实现核聚变，但μ子衰变速度太快，产生不易，很难大规模应用。

在面的各种路径当中，最容易小型化的是“惯性静电约束”和“和束对束或束对靶聚变”两种，实际上他们的原理是一样的。

中子发生器就是微型核聚变

中子发生器是用来产生中子束的装置，其一种实现原理是利用上面的“束对靶”聚变机制，用小型的线性加速器将氢同位素聚合在一起来产生中子——通过将氘，氚或这两种同位素的原子核加速轰击到金属氢化合物靶标中，使之发生聚变反应。这些金属氢化物靶含的是氘、氚或这些同位素化合物的混合物。

上图：典型的中子发生器，安全且尺寸不大。

第二种原理是利用上面提到的惯性静电聚合机制。静电约束聚变装置使用静电场限制和加热离子，目前已经实现的聚变结构被称作“聚变器”，该装置在阳极线笼内设阴极内笼，氘氚核（带正电）从正极外笼飞向负极内笼，并在此过程中被电场加热。 如果离子“不幸”没有击中内笼，他们就会碰撞并发生聚合。 然而，这些氘氚核正离子大部分会撞上阴极内笼，产生大量损耗。 此外，竞争性的物理效应会产生光辐射形式的能量损失，致使聚合器中的聚合率非常低。有学者已经提出了通过使用非中性云产生电场来避免与笼相关的问题的设计，牵涉到等离子振荡装置，潘宁阱和多面势阱等。此技术相对不太成熟，仍存在许多科学和工程问题待解决。

上图：核科学极客在家制造的一个“聚合器”，内笼内正在进行核聚变，处于所谓的“星模式”运行状态，此聚合器的一个特征在于，发光等离子体的“辐射”似乎是从内部网格中的间隙发出的（中心亮处）。

氘原子（D + D）的融合形成He-3离子和具有约2.5MeV的动能的中子。氘和氚原子（D + T）的融合形成具有约14.1MeV的动能的He-4离子和中子。中子发生器可用于医学，安全和材料分析等领域。

但利用静电加速、加热路径应该是门槛最低的聚变启动方式，但作为汽车能源来说不是没有问题：

中子发生器的聚变原理很简单，跟实验室使用的回旋加速器是一样的（实际上就是在回旋加速器的研制过程中发明出来的，但最早是受益于电视机显示器的阴极射线管的发明）。只要恰当的原子核被加速到合适的速度相撞，就可以产生核聚变。但问题是，加速也需要消耗能量，整个系统能否达到净能量输出？此外，这样的反应能否大规模进行？

理论上，前面提到的各种核聚变启动方式可以共享相同的核素的聚变路径，而相同的微观聚变路径释放的能量效率应该是相同的，但差异在于不同的聚变方式的能量损耗。

采用静电场约束的小型核聚变装置其基本原理不过是制造一个高压加速氘氚原子核互相对撞释放高能中子，如果要扩大能量输出，那么就是扩增这个聚变规模。让更多的氘氚原子核在静电场的操控下发生碰撞。然后我们可以像提供汽油一样不断提供氘氚核，源源不断地输出高能中子。然后，只要解决如何将高能中子和光能转化为电能或热能，就能够驱动汽车引擎乃至其他引擎，之后的技术路径就不用赘述了。此外，这个过程还要注意中子放射防护和妥善处理被中子激活的核废料即可。

但到目前为止，由“聚合器”类的装置实现的最高中子通量，在氘氘聚变反应下，大约为每秒产生3×10^11个中子（并不高）。前面也提到“聚合器”因为离子撞上阴极笼（阴极可能被不断损坏），而且离子交互释放光能逃逸，损耗太大，所以输出效率不高。

目前科学界对“静电聚合器”的改进努力在于提高氘离子的密度，以及降低辐射污染。在提高氘离子化速率方面科学家们进行了各种尝试，包括通过在聚合器中增加“离子枪”（类似于旧式电视显像管中的“电子枪”）或“磁控管”类装置，利用高压电磁场增强离子的形成。 任何增加离子密度（在保持离子平均自由路径的限度内）或离子能量的方法都可以增强聚变输出能效，通常以每秒产生的中子数量来衡量。如果能够考虑“高温”聚变反应，提高离子能量就更有意义，例如质子 - 硼聚变，因为具有丰富的燃料（氕和硼），无需放射性氚，并且在初级反应中不产生中子，核污染就更好控制。

用形象一点的方式来描述最终的成品，分为两部分：第一个部分是一个“中子火炬”不断地喷发高能中子，第二个部分是一个“中子发电机”，把中子的能量转换为电能。

只要解决上述系列问题，那么用核聚变驱动汽车是没有问题的。