美国能源革命重大突破,第一次实现了可控核聚变的点火

2022年12月14日，美国能源部长珍妮弗·格兰霍姆宣布了一个大新闻，她说美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家在国家点火装置NIF上，第一次实现了可控核聚变的点火，也就是核聚变的能量增益因子Q大于1，输出能量大于输入能量。
如果这个消息是靠谱的，我们有幸见证了人类历史上的一次里程碑事件！
所以它靠谱吗？可控核聚变的进展到底如何？我们有生之年能用上核聚变能源吗？
今天就让我们借这个大新闻来聊一波核聚变。

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核聚变的原理是非常简单的，大致来说就是两个或者多个轻的原子核可以合并成一个重的原子核。元素周期表里铁之前的元素发生合并后，形成的重原子核质量会小于反应前的两个轻原子核的质量之和，出现质量亏损，亏损的这部分质量会以能量的形式释放出来。
为了让这种合并发生，需要让这两个带正电的原子核靠得足够近，进入到强相互作用力的作用范围，为此必须克服同性相斥的电磁力屏障。
如何克服呢？要么就是它们的运动速度足够快撞到了一起，要么就是原子核被压得足够近，因为粒子的无规则运动在宏观上体现为温度，也就是需要高温高压。
所谓可控核聚变，就是用高温高压促使轻原子核合并成重原子核，并且控制能量平稳输出的工程。
为什么大家会对这种能量形式感兴趣呢？

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首先是因为它的能量密度和潜在能量总量，都大得惊人，以最容易实现的氘氚聚变，也就是氢带一个中子的同位素和氢带两个中子的同位素的聚变为例：
氘原子的质量为3.345*10的-27次方千克，氚原子的质量是5.01*10的-27次方千克，氦-4为6.649*10的-27次方千克，中子为1.675*10的-27次方千克，反应后质量少了0.031*10的27次方千克，反应质量亏损在0.37%左右，亏损的质量以能量的形式释放。
人类整体的发电功率大概是10的12次方瓦，根据爱因斯坦质能方程换算到质量的话，仅仅相当于0.01克，对应到反应原材料就是整个人类每秒需要消耗2.7克，一天是230公斤，一年是84吨。
整个人类，就只需要这些燃料。
氘在地球上主要以重水的形式存在于海洋中，它的含量约占氢的0.0156%，大约有7乘以10的17次方吨，简直是海量。

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而氚是一种半衰期仅为12年的放射性同位素，在自然界没有稳定存在，但好在我们可以用中子轰击锂原子来制备它，正好氘氚反应会产生一个中子，这不巧了吗？
氘氚聚变经常被拿来举例只是它实现起来比较容易，除此之外它并没有什么特殊之处，实际上轻的原子都能发生聚变反应，比如两个最普通氢原子的聚变，氘和氦3的聚变，甚至流浪地球里的一万多台行星级发动机烧石头（氧，硅）的那种聚变，都是完全可以实现的。
并且核聚变还是一种真正的清洁能源。
核裂变反应是用中子轰击不稳定的重元素放射性同位素原子比如铀235，使之分裂成更小的原子并且释放出更多的中子，释放的中子再跟铀235反应，从而形成链式反应。这种链式反应是自我放大的，必须进行精密的控制，一旦失控就容易停不下来，就会导致堆芯融化甚至锅炉爆炸，释放出大量放射性污染物质。

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这就是为什么虽然核能理论上是一种清洁能源，但现在流行的核裂变电站，要么不出事，一出事就是大事，三里岛、切尔诺贝利、福岛核泄漏等等事件，无不给人留下恐怖狰狞的印象。即便不出现事故，核裂变反应留下的废料也是很难处理的放射性垃圾。再加上核裂变材料储量极少，这些因素就导致核裂变电站的发展被严重限制了。
至于核聚变，还是以氘氚聚变为例，它的反应产物没有任何的放射性，并且维持反应进行需要非常苛刻的条件，我们要维持它反应就已经拼尽全力了，所以即便核聚变反应堆出现事故失控，最坏的结果就是它凉了，反应停止了，过程中可能会烧穿反应装置，但绝不会产生太大的无法挽回的问题。
因此一旦核聚变发电成熟，它将是一种字面意义上取之不尽用之不竭的清洁能源。
刚才说了氘氚聚变是最容易发生的核聚变，有多容易呢？

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大概需要将温度提升到1.5亿度以上，太阳核心温度的十倍，这还是最容易的。
于是这里就产生了一个显而易见的问题，已知世界上熔点最高的物质是五碳化四钽铪（TaHfC），它的熔点是4215℃，还不到核聚变启动温度零头的零头。
也就是我们找不到任何一种材料来装核聚变的原料，于是科学家们就摸索出了两种核聚变的主流实现路径，第一种叫磁约束，大名鼎鼎的托卡马克装置和仿星器就是磁约束路径的，而这次美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，走的是惯性约束的路线。
所谓磁约束就是说，当我们把核聚变原料加热到上亿度这个级别的时候，它会进入到一种叫做等离子体的状态，它的电子会被剥离，只剩下离子裸核，最终形成带正电的离子和带负电的电子混合在一起的状态，就是等离子体。

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那既然反应原料带电，我们自然就可以用磁场去把它控制在一定的范围内。
但这又产生了一个新的问题，加热材料到上亿度以及维持一个巨大的磁场，本身要消耗巨大的能量，只有在核聚变产生的能量大于消耗的能量时，也就是能量增益因子Q大于1时，核聚变才能自发的进行下去也就是所谓完成点火，才有额外的能量可以转化为电能，核聚变才有实用价值。
这就是为什么大家如此地看重这个能量增益因子Q 。
在磁约束这条路上，最接近完成点火的是欧洲联合环JET，在1997年， JET的实验Q值达到了0.67，而在建的国际热核聚变实验堆ITER和在设计中的中国聚变工程实验堆（CFETR）目标都是把Q值提升到10以上，以实现在考虑工程损耗的前提下向外大量输出能量。

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而这次美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，实现的这个Q大于1，就比较抽象了。
NIF采用的是所谓的惯性约束路线，也就是我们有一坨聚变材料，想办法以迅雷不及掩耳盗铃之势给它一个高温高压，通常是用高能激光打上去，然后利用材料的惯性，趁它还没有散开来之前，完成聚变反应。
类比到我们身边的事物的话，惯性约束核聚变装置非常类似于是我们车里面的发动机，内燃机。汽车启动之后，发动机里面就开始重复喷油，点火，爆燃，推动活塞运动向外输出能量的过程，惯性约束核聚变就是用核爆去替代了汽油的爆燃。
而这次美国能源部长宣布实现了Q大于1，这里的Q说的是核聚变产生的中子能量除以打上去那束激光的能量。
我们之所以看重Q这个参数，是因为在磁约束当中，一定的Q代表这核聚变反应可以自我维持，完成点火，更高的Q意味着有额外的能量可以向外输出。

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而这里这个Q意味着什么呢？只能说我不是很理解。
如果它的意思是这次核聚变释放出的能量超过了引爆它所投入的能量的话，那早就实现了呀，氢弹不就是吗？氢弹爆炸释放的能量肯定是大于用来引爆它的原子弹的能量的，不然你搞氢弹干什么？
如果它的意思是这个实验装置的输出能量大于输入能量，那显然还差得很远啊，因为激光器把电能转化为光能的效率不到1%，把这个转化率往上一乘，那完了，Q还没到0.01 。
更进一步，如果它的意思是把这个装置放大之后可以向外释放能量，那就差得更远了，磁约束聚变是可以稳定释放能量的，而惯性约束聚变类似于发动机的爆燃，释放能量只在一瞬间，如果想要持续稳定向外输出能量就必须以很高的频率重复这个爆燃的操作，然后我们算一个比方说1分钟100次爆燃总共消耗了多少能量释放了多少能量比一比才是有意义的，现在你只能一天爆一发，这算出Q大于1能说明什么问题。

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由此可见，如果负责NIF项目的科学家真的觉得可以靠这样的成果，拔得可控核聚变的头筹，青史留名的话，我们就不得不怀疑他的精神状态了。
我看着这洋洋洒洒几千字的发布会文稿，歪歪斜斜地每页上写着“历史性突破” ， “里程碑” ，我横竖睡不着，仔细看了半夜，才从字缝里看出来，满本上都写着两个字“More Money“ 。
我不想说他们是在骗经费，但这就是事实。
那现在可控核聚变到底进展得怎么样了呢？由于它的历史沿革非常复杂，不妨让我们以现在耗资最大规模最大也是最接近点火的可控核聚变装置，国际热核聚变实验堆ITER ，为线索来梳理一下。
ITER位于法国南部小城卡达拉什，距离地中海港口城市马赛70多公里，占地面积180公顷，装置总重约两万三千吨，截止2016 年，这个实验设施的建设和运营总成本预计将超过220亿欧元，且还会连年攀升，预计最高可能高达600亿欧元。
1985年，苏联总统戈尔巴乔夫向美国总统里根提议共同建设一个大型的托卡马克装置，最终落地就是这个ITER 。

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为什么会提出要做这个装置呢，直接的原因是在1978年国际托卡马克反应堆 (INTOR) 研讨会上，评估磁约束聚变具备了向实验反应堆阶段推进的条件，也就是科学家们认为用托卡马克装置是可以实现核聚变的点火的。
刚才说过我们做磁约束装置是希望能把能量增益Q做到大于1，这个聚变反应刚跨过盈亏平衡的数学表达式Q≥1 ，经过一些变换处理之后，可以得到一个著名的不等式——劳森判据。

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不等式左边被称为“聚变三乘积”，其中包括：
1、等离子体中的电子（或离子）密度n 。
2、等离子体温度T 。
3、等离子体的约束时间τE（维持等离子体稳定以及温度不下降的时间）
它的含义是只有当三乘积大于某个值时，聚变反应才能自发维持下去，也就是点火成功，而根据氘氚反应的函数曲线，在温度约等于1.6亿摄氏度，三乘积存在一个最低点3×10的21 次方KeV·s/m3：
1.6亿度这个温度已经有技术手段可以达到，而磁约束下我们没有有效的手段去提升离子密度，因此磁约束主要发展方向就是尽量延长约束时间。
托卡马克装置的造型非常像一个胖胖的甜甜圈，我们用若干环状磁体，可以形成贯穿其中垂直于环状平面的磁感线，当等离子体中离子和电子在环中区域动来动去的时候，它们会受到垂直于磁感线方向的力，让它们开始转弯，如果磁场够强的话转弯半径够小呈现出来的效果就是它们会在里面转圈圈，就被束缚住出不来了。

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而为了防止等离子体从两头飘出去，我们可以把环状磁体两头连起来，就形成了这个甜甜圈的结构，大功告成。
且慢。
这个结构有一个致命缺陷，就是它越靠近内部磁体靠得越紧，磁感线越密集磁场越强，越靠近外部磁感线越稀疏磁场越弱，这个磁场强度梯度的存在会使得正负粒子分别受到垂直于梯度方向，也就是向上和向下的力，这样一来等离子体转瞬之间就散掉了，于是如何防止等离子体在磁力梯度作用下散掉就成了科学家们需要重点攻克的问题。
其中美国科学家，普林斯顿大学的莱曼·斯皮策，在1951年发明了一种装置，叫做仿星器。通过精确设计磁体的形状和排列，形成一个扭曲的结构，让内部的磁感线转起来，形成麻花状。这时候虽然磁力梯度依旧存在，但粒子的受力方向一会向左一会向右，一会向上一会向下，整体效果就被中和掉了，理论上就可以实现等离子体的长时间约束。

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但是仿星器这种构型对于磁体设计和加工的精度要求太高，实际操作中，等离子体会以远高于理论预测的速度流失到外部环境中。至少在当时，这个构型实现不了。
而同样是在上世纪五十年代，苏联科学家发明了另外一种构型，相比仿星器更为简洁，它就是如今最主流的可控核聚变装置——托卡马克。
除了刚才说的用环状磁体构成一个甜甜圈之外，托卡马克装置在中间加了一个柱状电磁体，通过快速改变通过它的电流大小，生成快速变化的磁?。?进而在等离子体中诱导出感应电流，形成环绕等离子体的感应磁?。飧龃懦「鹛鹑δ诓吭镜拇懦∠嗟樱Ч切纬闪寺榛ㄗ吹拇懦? ，中和了粒子向外的受力，让粒子在上下左右往复运动中达到动态平衡。

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然后在最外圈，还有几个大的环状电磁体，用来控制等离子体的大小和形状。
这种构型后来被证明是非常靠谱的，到了六十年代，苏联建造的托卡马克T-3里的等离子体的综合指标，已超过同时期美国的仿星器C一个量级。正是从T-3起，国际社会认可了托卡马克装置的可行性和高效性，可控核聚变的研究方向正式转向了托卡马克。
那为什么到了60年过去了，可控核聚变还没有实现呢？主要有两方面的原因。
一方面等离子体对于人类来说是一种比较新的物质形态，我们对于它的理解还比较薄弱，需要一点一点地试错，排除问题以便最终实现对它的掌控，落实到科研上就是会重复造一个实验装置，做实验收集数据，再基于数据造新的装置的过程。事实上，自上世纪60年代以来，等离子体的实验参数已经提高了超过一千倍，逼近了点火三乘积。
另一方面来说，为了经过大量研究分析后，科学家发现，约束时间τE和很多因素有关。

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其中， R是等离子体的圆环的半径，这意味着，装置内等离子体体积越大，越有助于提高约束时间。
凡事儿一搞大就麻烦了，装置更大势必会导致投资巨大，这就不是一般人能干的了，到最后点火的任务就落到了这个国际合作项目，耗资超过千亿的ITER的头上。

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ITER项目已经实施34年了，几经跳票，目前它计划于2025年底完成托卡马克的组装，之后进行高温等离子体的约束实验。
如果一切顺利的话，它会在2035年开始氘氚聚变反应，或者说传说中的聚变点火实验。如果再次顺利的话，会在2040年后开始建设下一代的工程示范堆DEMO ，这个DEMO将是可以真正发电的。而根据ITER官方2021年6月公布的资料，它的施工进度已经达到78% 。
中国在ITER当中承担了大量关键的工作，包括组成环形场、极向场线圈的基于Nb3Sn超导线的铠装导体（CICC）。
ITER有18个环形场线圈，每个线圈由7根CICC组成，共需要126根导体，中国承担其中11根的制造任务。
而组成6个不同尺寸的极向场线圈的导体则由中国制造60根，约占全部所需的65% 。
ITER运行时，环形、极向场线圈上的导体内流动着4.2K（-269℃）的超流态液氦。环形场线圈上导通的电流高达68kA ，产生磁场强度最高达12T，约为地球磁场的20万倍。极向场线圈上导通的电流达45kA，磁场最高可达5T 。
除此之外，中国还将承担制造ITER所有共18个校正场线圈。它们的作用是补偿矫正制造、安装环形、极向场线圈的过程中产生的不可消除的磁场误差。
磁体馈线（Feeder）是连接ITER保温杜瓦内的超导磁体与外部低温制冷系统、电源系统以及控制系统的接口部件，确保自低温（4 K）向室温过渡的实现，其主要功能是为超导磁体供电、供冷及信号测量。
ITER共有31套Feeder ，共计6万余个部件，被称之为ITER主机的“生命线” 。分别位于ITER装置主机的上部与底部，总重量约1500吨。中方负责制造ITER的所有Feeder 。
从外部看，每个磁铁馈线像是简洁集成的30—50米长的盒子，不过，其内部走线极为复杂，因为它必须要保证传输电流的汇流排和分配回收不同温度的低温流体的管道的完美并排运行。
中科院等离子体物理所承担研发的68kA级高温超导电流引线创造了在85kA下运行1小时，90kA下运行4分钟的世界纪录。这些引线，集高载流能力、低冷量消耗和长失冷安全时间三方面优势于一体，降低了ITER的运行成本和低温系统的建造投入。
双回路400kV电网组成的高压交流系统将供应ITER装置及其所有基础设施的运行所需能量，中国将提供400kV 高压变电站中的所有设备。
400kV高压变电站作为大规模稳态加热和驱动源，主要为托卡马克装置运行中等离子体的产生、维持和加热提供能源；以及与高压电网间的能量传输、功率转换等。
中国还将提供制造气体注入系统和部分诊断系统，前者是为等离子体操作、维护、控制和壁调节提供各种气体，同时提供用于加热和诊断中性束的氢和氘，以及用于颗粒注入和紧急聚变电源关闭的必要气体。
后者包括测量等离子体的中子发射率，提供聚变功率信息的中子通量监测器。研究和观测50兆瓦下磁流体动力现象及X射线发射率的径向X射线相机，以及测量偏滤器附近等离子体的温度、密度的朗缪尔探针等。
覆盖ITER真空室内壁的包层将聚变反应产生的中子和高热负荷屏蔽在真空管内。包层的第一壁（First Wall）由440块面板（每个1 x 1.5 m，重1.5 t）组成，它是与高温等离子体离得最近的组件，主要由直面等离子体的材料（目前选用金属铍）、中间热沉材料（CuZrCr合金）以及支撑背板材料（316L（N）不锈钢）组成。
将温度高达1.5 亿摄氏度的等离子体约束在真空室内的是被冷却到零下269°C的超导磁体。在包层的阻隔下，两个极端温度间仅有10米的距离！
为了实现这点，ITER以4 MPa的压强注入70度的冷却水来保证真空容器的内表面维持在约240摄氏度。

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这些直面“冰火两重天”的第一壁面板由中国制造其中的约10% 。
在ITER运行阶段的后期，一些包层模块将被专门的模块取代，称为实验包层（Test Blanket Module, TBM）项目，旨在验证聚变堆条件下的氚增殖和能量提取技术。
为了补充氚的消耗，需要在核聚变堆的包层中就地发生中子轰击锂聚变产生氚的反应，以维持核聚变反应的持续运行。
实验包层项目将对聚变堆包层设计工具、计算程序、核数据等进行实验验证，并对聚变堆包层材料进行综合性能测试，为未来聚变工程堆及商用堆包层提供技术经验和实验数据的支持。
中国自2004年开始开展实验包层项目相关活动，2009年确定选用氦冷固态增殖剂实验包层模块（Helium Cooled Ceramic Breeder Test Blanket Module, HCCB TBM）概念参与实验包层项目。

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2015年9月，该模块通过了ITER工作组的概念设计评审。2016年初，HCCB TBM项目初步设计正式启动，目前还处于初步设计阶段。
在上述任务中，中科院等离子体所承担了导体、校正场线圈、超导馈线等部分，占中国承担ITER任务的近80% 。
可以看出，中国在ITER当中负责了相当关键的部分，而我们也有自己的相当于ITER的项目。
通过中科院等离子体物理研究所（安徽合肥）的“东方超环” ，还有西南物理研究院环流器二号M（HL-2M），我国已经掌握了国际领先的完整的托卡马克装置制造能力。并且通过参与ITER项目，我们又积累了与国际接轨的技术水平。
在这些的基础上，由中科大、中科院等离子所、核工业西南物理研究院以及绵阳9院主导，多家高校及军工企业所参与的中国版ITER ——CFETR（中国核聚变工程实验堆）正在筹备当中。
CFETR计划分三步走。
第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。
虽然我不是很看好ITER的项目进度管理能力，但介于我们国家在重大工程项目上的履历，这个CFETR是非常值得信赖的，也就是说核聚变点火的那一刻，乐观估计会在2035年，保守估计会在2040年左右，最终实现。
甚至点火的时间点有可能会更早。因为随着时间的推移，我们的一些基础技术，比如计算机仿真技术已经今非昔比，一些本来难以实现的技术方案比如仿星器和小型托卡马克装置，球形托卡马克装置，也有一些科研团队或者创业公司在尝试，在创投圈现在你跟别人说你在搞核聚变，大家已经不会觉得你是傻逼了，而是会非常严肃的跟你讨论你在具体干什么。
但问题是，点火并不意味着可控核聚变的成功。后续的持续燃烧，解决中子辐照，氚增值，能量回收，加料排灰等问题，只有等点火成功之后，我们才会拥有实验条件尝试去解决，然后是降成本，商用，乃至小型化。如果说2040年左右的点火成功我们这代人大概是可以看到的话，是否能用上核聚变能源，就真的很不好说了。
人生最大的痛苦，莫过于看到激动人心的改变就在眼前，而我要嗝儿屁了。
关于可控核聚变会带来什么，很多人第一时间想到的是电费会变得非常便宜，确实电费可能应该会变便宜，但这远远不是可控核聚变能带来的全部。
人类的一切活动都是来源于获取能源再对能源转化利用，那什么是能源呢？
我理解能源是一种可以利用的能量，假设我们面前有两池水，用挡板隔开，如果它们的水位是一样高的，那无法产生可以利用的能量，但如果它们有一个很大的落差，我们在挡板上开个洞，倾泻而下的池水就是可以利用的能量，就是能源。
一种理想的能源应该是两边水位的落差足够大，而中间的挡板足够薄弱，遗憾的是，宇宙是趋于热寂的，自然界当中不存在这样的东西。于是我们选择了退而求其次，在挡板足够薄弱的能源当中去找落差尽可能大的，好在我们几亿年前的动植物前辈们，孜孜不倦地把能量搬运到自己的身体里，我们靠烧它们的尸体，支撑起了现代工业文明。
但烧尸体毕竟不是长久之计。
可控核聚变是一种完全不同的东西，两边落差巨大无比，中间隔了一座喜马拉雅山，这是人类历史上第一次对大自然霸王硬上弓，相形之下之前所有的工程项目都显得费拉不堪。这种霸王硬上弓势必会带来巨大的改变。
能源的稀缺性是所有人类行为背后的逻辑基?。庵窒∪毙悦挥辛酥螅?一切衡量标准都会被颠覆。
比如之前曾经有一位中国首富脑洞大开，表示把喜马拉雅山炸开一个口子，将印度洋的暖湿气流引入青藏高原，这个提议值得认真地考虑。
比如我们的华北平原因为人口多粮食生产压力大，地下水常年入不敷出令地质学家非常困扰，这才多大点事儿，你把海水淡化然后给它补回去不就行了吗，难道地球上还能缺水吗？
能源发生革命之后，下一步势必会影响到我们日常使用的动力。
传统火箭发动机喷出的气体速度是2km到4km每秒，一枚推力3000吨的火箭，90%以上的负载是它的燃料，只能送200吨的货物到近地轨道，50吨的货物到月球，这种开油罐车上班的状况在根本上限制了我们在太阳系的交通，马斯克当火星球长的愿望在这种技术条件下根本无法实现。
而聚变发动机喷射出的工质的速度可以达到几千到几万km/s，这意味着我们至少可以把太阳系纳入日常的活动空间。
一旦在太阳系内的活动不成问题，绝大多数在地球上稍显稀缺的原物料会随着行星采矿业的开展得变得极度丰富，比如小行星带一颗代号1986 DA的小行星所含的铁镍钴，远超地球上的铁镍钴的总储量，名叫灵神星的小行星上的黄金，按市价值7万亿美元。
所以我觉得在可控核聚变这个问题上，应该遵循两个凡是的原则，凡是推动可控核聚变加速向前发展的，就是我们的朋友；凡是拖累可控核聚变发展的，就是我们的敌人。
比如这次NIF搞的所谓Q大于1，只要这能帮助那群科学家在美国国会搞到更多的经费，我就支持它大搞特搞，不就是骗经费吗，骗起来，多骗一点！有什么我可以帮忙的吗？
【美国能源革命重大突破,第一次实现了可控核聚变的点火】希望全球搞可控核聚变的大佬可以加油搞快点，希望我们可以看到那一天的到来。