美國的可控核聚變有重大突破？我覺得這事兒吹過了_風聞

​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；

****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？

****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。

****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。

****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

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