在聚变的三岔路口处

从1950年代开始的聚变能源研究，做的一直是“走向聚变”的工作：达到劳森判据条件，实现“科学上的”得失相当（breakeven），即得到的聚变功率与输入聚变堆等离子体的加热功率相当；验证聚变能源大规模利用的科学可行性。这两个功率之比P_fusion/P_heating = Q_p称为能量增益。“Breakeven”就是Q_p = 1。当然，科学可行性（Q_p >= 1）不等于工业可行性。工业可行性的验证需要达到：Q_e >= 1。这里 Q_e = 聚变发电功率/电站整体耗电功率。考虑到电网提供功率转换为射频加热功率的低转换率（<10%）和聚变功率转换为热功率再转换成电功率大约30%的转换率，需要Q_p > 50~100才能达到Q_e >= 1。

看起来很遥远（我们目前在Q_p ~ 1的门槛上），但有一个容易达到的临界阈值：Q_p = 5。

为什么？5和50-100还隔着老远呢！

是。但是由于聚变功率分成中子功率（占4/5）和alpha粒子功率（占1/5）两部分，我们可以分成两步走：第一步，用1份加热功率得到5份聚变功率（其中有1份alpha粒子功率），实现Q_p >= 5；然后关掉外部射频加热，利用那1份alpha粒子功率“接力”继续加热等离子体，维持Q’_p =5 运行—— 注意，这时分母上的加热功率不再是外部加热功率，而是持续聚变反应提供的那份alpha粒子功率。这就是自持加热。这时因为没有了外部加热，原来定义的Q_p 趋向无穷大！所以如果能有效的实现alpha粒子加热，实现工业可行性（Q_e >= 1）所需要的外部加热会大大降低、甚至不需要。【当然这仅仅是对磁约束聚变而言。惯性约束聚变因为约束方式不同，alpha粒子加热的效率需要另外估算。】

1990年代后半期，美国的TFTR、欧洲的JET和日本的JT-60U等几个大型（在当时的水平看）托卡马克装置上先后进行了氘氚聚变和氘氘等价聚变实验，得到了Q_p = 0.67（JET，氘氚）和等价（折算）Q_p = 1.25（JT-60U，氘氘等价）的结果，已经走到了breakeven的门口。但是由于1990年代美国聚变发展战略的转折和2006年ITER重启后各国聚变发展路线图的重新定位，TFTR和JT-60U被先后关掉，JET氘氚实验也被叫停，1990年代后期达到的能量增益水平至今没有被超越。

2022年12月，美国国家点火装置（NIF）的惯性约束聚变实验第一次得到了Q_p = 1.54（输入能量2.05MJ，输出能量3.15MJ）的氘氚聚变能量增益，“正式”实现了氘氚聚变的breakeven（人们对JT-60U的氘氘等价结果私下里还是有异议的）。这对二十多年躺在成绩上等ITER的磁约束聚变界是一个促动：我们什么时候真地来一把氘氚聚变的breakeven？

 在这之前其实已经有很多“非主流”的尝试，最引起轰动的是Skunk Works的“五年聚变、十年发电”。笔者当时就说：不就是十年？我们等得起！（见拙作《聚变之路谁前行？（1）》）现在十年时间快要到了，不过人们已经把他们忘记了。因为新的、看起来靠谱的计划已经在实施了。其中值得注意的是基于MIT多年研究基础发展起来的CFS（Commonwealth Fusion System）正在建造的SPARC，和基于我国多年研究基础设计并计划建造的BEST；核西物院也宣布了在HL-3上做氘氚实验的计划。

前者笔者已经有评论（见拙作《聚变之路谁前行？（2）》）：

1.    高温超导强磁场约束托卡马克技术路线是正确的：

磁约束、磁约束，就是靠强磁场来约束，所以强磁场一定是最关键的因素；而且MIT多年主打的就是强磁场托卡马克（比如C-Mod），强磁场约束聚变技术是MIT的强项；

2.   Q_p = 2的目标是切实可行的（比几年前提出的目标更实际）：

这个目标超越NIF的结果，无可争议地跨越了breakeven的门槛；而且这只是保守目标，设计能力有可能达到Q_p = 10，跨过Q_p >= 5的自持加热阈值；

3.    面临主要困难是资金不足：

当时的融资只有五千万USD，和实际需求是差数量级的；现已达到18亿USD，已可以支撑SPARC的建设和初期运行。

国内BEST的目标和参数尚未官宣，应和SPARC在伯仲之间；HL-3的氘氚实验还在规划中。此外，除新奥能源，国内也新出现了一些聚变能源研发企业：走托卡马克路线的“能量奇点”及走球形环（ST: spherical tokamak）路线的“星环聚能”。还分别在西南交大和南华大学建设了两个仿星器（stellarator）实验室，上月还举办了讨论偶极场磁约束装置的香山会议，等等。

 磁约束聚变研究在近年内跨过breakeven（Q_p = 1）应该没有什么疑义了。跨过这一步，就站在三岔口上——前面有两条路：1）仍以科学研究为主，把握燃烧等离子体特性，奠定基础后再看工业可行性；2）改以聚变工程技术研究为主，突破建堆发电关键技术，直面工业可行性问题。验证聚变发电的工业可行性则是两条路“殊途同归”的目标。

对资深聚变研究人员，这已经是非常值得骄傲的节点（可以作为自己事业的完满“句号”）。可是对年轻人来说，这只是人生事业的第一步！前面这两条路，尽管不同，但迈上去就是赢了（阶段性胜利）：因为你在向前走！如果还是在来路上徘徊，耗费半生仍在“走向聚变”，只能说是“蹉跎岁月”。 

长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。人生遇到这样的机遇可能只有一次。为国家重大需求、世界科学前沿做贡献，此其时也。

【聚变发电是否便宜、与其它电力相比是否有市场竞争力，这是商业可行性范畴，目前还提不上日程。】