美國的可控核聚變有重大突破?我覺得這事兒吹過了_風聞
差评-差评官方账号-2022-12-16 07:44
本文原創於微信公眾號:差評 作者:差評君
快到年底了,不少人都進入衝刺狀態,開始努力刷業績工作了。
但誰能想到,科學家們比我們還拼。
這不,在核聚變領域,中美相繼搞出兩個大新聞。
先是 11 月 22 日,我國中核集團的核工業西南物理研究院宣佈,造出了全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實驗堆(ITER)的核心部件——被喻為 ITER “ 防火牆 ” 的增強熱負荷第一壁。

接着,本週美國能源部(DOE)宣佈,加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們,在國家點火裝置(NIF)中,實現了 “ 淨能量增益 ”,也就是產生的能量比輸入能量多。

一時間,對核聚變的討論多了起來。
也許,是美國能源部專門搞了個新聞發佈會的緣故,網上對後者的討論尤其熱鬧。

比如,有的媒體説,美國就要搞定核聚變發電了;

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**還有人發表陰謀論,説這是美國在敲打中東的產油國。

那麼,這次美國在核聚變上做出的突破,真有那麼厲害嗎?
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**這個嘛,就得看你是用啥標準來衡量了。
先説結論:這次實現的 “ 淨能量增益 ”,很有科研價值,但基本沒啥應用價值。
為啥這麼説,且聽差評君慢慢道來。
眾所周知,核聚變的原理是模仿太陽,將兩個氫原子的質子融合在一起,產生氦原子。
所不同的是,太陽由於擁有巨大的質量,可以直接靠巨大的壓強,讓氫元素中最常見的同位素——氕發生聚變,也就是點燃 “ 質子-質子鏈反應 ”。

而在地球上,由於沒辦法模擬出太陽的條件( 特別是壓強 ),只能選擇所有核聚變反應中,最容易發生的氘核( 重氫 )和氚核( 超重氫 )的聚變反應。

美中不足的是,地球上不存在天然的氚,還得人工製造氚,成本要高一點。
為了讓核聚變能被人類有效利用,還得讓核聚變的速度和規模可控。
那麼怎麼才能核聚變可控呢?
目前,地球人( 喂,怎麼用這個稱呼啊 )主要走兩條技術路線。
一條是磁約束核聚變,做法是加熱燃料,讓氘和氚等在極高温下,完全電離為由原子核和自由電子組成的等離子體。
再利用特殊磁場,將超高温的等離子體中約束在有限空間內,讓它們進行螺線運動,進一步加熱等離子體,直到產生核聚變反應。

磁約束核聚變以托克馬克裝置為主,國際熱核聚變實驗反應堆( ITER )、我國的東方超環( EAST ),都是托克馬克裝置。
另一條是慣性約束核聚變,做法是利用多束極高精度的激光,從四面八方向轟擊微小的核燃料,引發內爆產生瞬間的高温和高壓,用巨大的壓力使燃料發生核聚變反應。

這種方法,在原理上和引爆氫彈沒啥區別,典型的裝置,就是這次美國勞倫斯實驗室(LLNL)的國家點火裝置(NIF)。
此外,我國的神光,也是比較有代表性的激光核聚變裝置。

既然方法都想到了,那大家擼起袖子加油幹就是了,怎麼還鬧出了“永遠的50年”的梗呢?
(注:永遠的50年,是説你在任何時候去問科學家,可控核聚變還有多久可以實現?他都會告訴你,還有50年)
這是因為,無論哪種方法,都難以攻克兩大技術難關。
至於這次美國人搞出的技術突破,雖然被美國能源部長評價為“一項具有里程碑意義的成就”,其實也還沒搞定哪怕一個問題。
美國現任能源部長詹妮弗·格蘭霍姆▼********

是哪兩大難題呢?
第一大技術難題,是讓聚變反應爐中的温度,要長時間、穩定地超過核聚變的臨界温度。
科學家們計算,為了啓動並且維持核聚變反應,需要反應爐內部能夠長時間維持在大約2億攝氏度的高温。
磁約束核聚變的辦法是,利用磁場構建出了一個肉眼看不到的、能耐受2億攝氏度高温的反應爐。
托克馬克裝置結構示意圖▼********

然而這種方式,磁場不穩定,且裝置的內部會不斷受到高温帶電粒子的衝擊,無法長期穩定運行。
至於這次美國人用的慣性約束核聚變,由於本質上相當於一場小型氫彈爆炸,倒是不愁温度達不到2億攝氏度。
但想用在電廠裏發電,需要每秒鐘引爆十次核聚變,而這次上了新聞的美國勞倫斯實驗室(LLNL),每天(注意是每天)只能引爆一次……
而且,這套裝置的佔地面積還很大,足有三個足球場那麼大▼********

既然做不到“連續引爆”,自然沒辦法長時間、穩定地維持超高温度。
第二大技術難題,是核聚變裝置在實現“點火”之後,整體的能量效率大於1。
看到這個難題,你可能會詫異,核聚變釋放的能量那麼多,咋就做不到整體的能量效率大於1呢?
現實就是這麼無奈,雖然核聚變能釋放大量的能量,但人類為了啓動核聚變,耗費的能量更多。
以磁約束核聚變為例,為了讓裝置內部達到2億攝氏度的高温,就需要使用大概上千萬瓦的微波設備對圓環的中心進行加熱,但是這一項,就足以讓能量“入不敷出”了。
托克馬克裝置內部▼********

更別提,為了產生足夠強的磁場啥的,用掉的能量了。
你可能好奇,美國人不是説這次產生了“淨能量增益”麼,是不是這個問題能解決啊?
當然不是。
這次,美國科學家在實驗裏,雖然產生了3.15兆焦耳的反應輸出能量,比用來觸發反應的輸入能量(2.05兆焦耳)多了近50%。
但是,這是聚變產生的中子的能量與輸入的激光的能量之比,而並非輸出電能到輸入電能之比。
國家點火裝置的激光能量轉換為X射線▼********

實際上,為了發射 2.05 兆焦的激光,耗費了 300 兆焦的電能,整體的能量效率遠小於 1。
這也是為啥,差評君在開頭説,這次 LLNL 的研究沒啥應用價值。
既然沒有應用價值,那這次的發佈會,是不是美國能源部的官員和科學家,在王婆賣瓜——自賣自誇呢?
也不能這麼説。
在科研層面上,這次突破是很有價值的。
2013 年 10 月,LLNL 公佈的聚變反應產生能量僅有 14 千焦,激光耗能達到了 1.8 兆焦,淨能量增益僅有 0.77%。
如今,只用 2.05 兆焦能量,就將釋放能量提高到 3.15 兆焦,增長了 200 倍,背後,肯定積累了不少工程經驗。
歷年來該裝置的聚變能變化▼********

別的不提,至少科學家們摸索出了,讓國家點火裝置 (NIF)穩定產生“高能量輸出”的經驗。
這意味着科學家們,可以在此基礎上,進行下一步研究。
就算這次美國人的技術突破,最終不能用來發電,也能用來研究別的。
比如,我國工程院院士杜祥琬在接受採訪時,就表示美國國家點火裝置的相關研究,可以用來模擬核爆炸,研究核武器性能。
工程院院士杜祥琬▼********

此外,如果擴展一下思路,還能發現,這些研究成果還能用在高能物理實驗上,用來模擬超新星爆發、恆星和巨大行星內核的環境,進行宇宙探索等。
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**核武器,宇宙探索,咦,差評君怎麼想到了《三體》裏的雷迪亞茲啦。。。

説回核聚變發電,這兩年核聚變領域確實挺受關注。
特別是去年以來,國內外不少民營資本正在湧入核聚變領域。
比如硅谷創業孵化器 YC 前 CEO 山姆·阿爾特曼 、PayPal 聯合創始人彼得·蒂爾等硅谷名流和風投機構,向 Helion(2013 年成立,美國公司)投資了 5 億美元;
Helion公司的核聚變原型機▼********

從麻省理工學院獨立出來的核聚變創業公司 CFS,拿到比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、Google 等 30 位富豪、公司或機構超過 18 億美元的融資,比美國政府當年給核聚變研究的撥款還多。

在國內,星環聚能、能量奇點等核聚變領域創業公司也都完成了數億元大額融資。
這些民營公司,給核聚變研究帶來了不少新氣象。
例如,前面提到的 CFS 公司,發明了一種高温超導體材料,用來包裹聚變反應爐的外殼。
CFS公司的原型反應堆▼********

這可以讓聚變反應爐的磁場強度高几十倍,從而大幅提高核聚變的發電效率,並且縮小反應爐的體積。
不管怎麼説,核聚變的新老玩家一起,讓人類通往可控核聚變的技術道路,朝着“條條大路通羅馬”的面貌轉變。
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**説不定,有生之年,真就能看到可控核聚變實現啦。
圖片、資料來源:
1.https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
2.知乎:美國能源部即將發表重大聲明,人類或首次實現核聚變反應淨能量增益,這意味着什麼?——physixfan、瞻雲的回答
3.可控核聚變的十個“里程碑”
4.可控核聚變:離風投更近、離現實多遠……還不好説丨TECH TUESDAY
