当前简讯:美国的可控核聚变有重大突破？我觉得这事儿吹过了

• 2022-12-16 16:56:11 来源：凤凰网

快到年底了，不少人都进入冲刺状态，开始努力刷业绩工作了。

但谁能想到，科学家们比我们还拼。

(资料图)

这不，在核聚变领域，中美相继搞出两个大新闻。

先是 11 月 22 日，我国中核集团的核工业西南物理研究院宣布，造出了全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER）的核心部件——被喻为 ITER “ 防火墙 ” 的增强热负荷第一壁。

接着，本周美国能源部（DOE）宣布，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家们，在国家点火装置（NIF）中，实现了 “ 净能量增益 ”，也就是产生的能量比输入能量多。

一时间，对核聚变的讨论多了起来。

也许，是美国能源部专门搞了个新闻发布会的缘故，网上对后者的讨论尤其热闹。

比如，有的媒体说，美国就要搞定核聚变发电了；

还有人发表阴谋论，说这是美国在敲打中东的产油国。

那么，这次美国在核聚变上做出的突破，真有那么厉害吗？

这个嘛，就得看你是用啥标准来衡量了。

先说结论：这次实现的 “ 净能量增益 ”，很有科研价值，但基本没啥应用价值。

为啥这么说，且听差评君慢慢道来。

众所周知，核聚变的原理是模仿太阳，将两个氢原子的质子融合在一起，产生氦原子。

所不同的是，太阳由于拥有巨大的质量，可以直接靠巨大的压强，让氢元素中最常见的同位素——氕发生聚变，也就是点燃 “ 质子-质子链反应 ”。

而在地球上，由于没办法模拟出太阳的条件（ 特别是压强 ），只能选择所有核聚变反应中，最容易发生的氘核（ 重氢 ）和氚核（ 超重氢 ）的聚变反应。

美中不足的是，地球上不存在天然的氚，还得人工制造氚，成本要高一点。

为了让核聚变能被人类有效利用，还得让核聚变的速度和规模可控。

那么怎么才能核聚变可控呢？

目前，地球人（ 喂，怎么用这个称呼啊 ）主要走两条技术路线。

一条是磁约束核聚变，做法是加热燃料，让氘和氚等在极高温下，完全电离为由原子核和自由电子组成的等离子体。

再利用特殊磁场，将超高温的等离子体中约束在有限空间内，让它们进行螺线运动，进一步加热等离子体，直到产生核聚变反应。

磁约束核聚变以托克马克装置为主，国际热核聚变实验反应堆（ ITER ）、我国的东方超环（ EAST ），都是托克马克装置。

另一条是惯性约束核聚变，做法是利用多束极高精度的激光，从四面八方向轰击微小的核燃料，引发内爆产生瞬间的高温和高压，用巨大的压力使燃料发生核聚变反应。

这种方法，在原理上和引爆氢弹没啥区别，典型的装置，就是这次美国劳伦斯实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）。

此外，我国的神光，也是比较有代表性的激光核聚变装置。

既然方法都想到了，那大家撸起袖子加油干就是了，怎么还闹出了“永远的50年”的梗呢？

（注：永远的50年，是说你在任何时候去问科学家，可控核聚变还有多久可以实现？他都会告诉你，还有50年）

这是因为，无论哪种方法，都难以攻克两大技术难关。

至于这次美国人搞出的技术突破，虽然被美国能源部长评价为“一项具有里程碑意义的成就”，其实也还没搞定哪怕一个问题。

美国现任能源部长詹妮弗·格兰霍姆▼

是哪两大难题呢？

第一大技术难题，是让聚变反应炉中的温度，要长时间、稳定地超过核聚变的临界温度。

科学家们计算，为了启动并且维持核聚变反应，需要反应炉内部能够长时间维持在大约2亿摄氏度的高温。

磁约束核聚变的办法是，利用磁场构建出了一个肉眼看不到的、能耐受2亿摄氏度高温的反应炉。

托克马克装置结构示意图▼

然而这种方式，磁场不稳定，且装置的内部会不断受到高温带电粒子的冲击，无法长期稳定运行。

至于这次美国人用的惯性约束核聚变，由于本质上相当于一场小型氢弹爆炸，倒是不愁温度达不到2亿摄氏度。

但想用在电厂里发电，需要每秒钟引爆十次核聚变，而这次上了新闻的美国劳伦斯实验室（LLNL），每天（注意是每天）只能引爆一次……

而且，这套装置的占地面积还很大，足有三个足球场那么大▼

既然做不到“连续引爆”，自然没办法长时间、稳定地维持超高温度。

第二大技术难题，是核聚变装置在实现“点火”之后，整体的能量效率大于1。

看到这个难题，你可能会诧异，核聚变释放的能量那么多，咋就做不到整体的能量效率大于1呢？

现实就是这么无奈，虽然核聚变能释放大量的能量，但人类为了启动核聚变，耗费的能量更多。

以磁约束核聚变为例，为了让装置内部达到2亿摄氏度的高温，就需要使用大概上千万瓦的微波设备对圆环的中心进行加热，但是这一项，就足以让能量“入不敷出”了。

托克马克装置内部▼

更别提，为了产生足够强的磁场啥的，用掉的能量了。

你可能好奇，美国人不是说这次产生了“净能量增益”么，是不是这个问题能解决啊？

当然不是。

这次，美国科学家在实验里，虽然产生了3.15兆焦耳的反应输出能量，比用来触发反应的输入能量（2.05兆焦耳）多了近50%。

但是，这是聚变产生的中子的能量与输入的激光的能量之比，而并非输出电能到输入电能之比。

国家点火装置的激光能量转换为X射线▼

实际上，为了发射 2.05 兆焦的激光，耗费了 300 兆焦的电能，整体的能量效率远小于 1。

这也是为啥，差评君在开头说，这次 LLNL 的研究没啥应用价值。

既然没有应用价值，那这次的发布会，是不是美国能源部的官员和科学家，在王婆卖瓜——自卖自夸呢？

也不能这么说。

在科研层面上，这次突破是很有价值的。

2013 年 10 月，LLNL 公布的聚变反应产生能量仅有 14 千焦，激光耗能达到了 1.8 兆焦，净能量增益仅有 0.77%。

如今，只用 2.05 兆焦能量，就将释放能量提高到 3.15 兆焦，增长了 200 倍，背后，肯定积累了不少工程经验。

历年来该装置的聚变能变化▼

别的不提，至少科学家们摸索出了，让国家点火装置 (NIF)稳定产生“高能量输出”的经验。

这意味着科学家们，可以在此基础上，进行下一步研究。

就算这次美国人的技术突破，最终不能用来发电，也能用来研究别的。

比如，我国工程院院士杜祥琬在接受采访时，就表示美国国家点火装置的相关研究，可以用来模拟核爆炸，研究核武器性能。

工程院院士杜祥琬▼

此外，如果扩展一下思路，还能发现，这些研究成果还能用在高能物理实验上，用来模拟超新星爆发、恒星和巨大行星内核的环境，进行宇宙探索等。

核武器，宇宙探索，咦，差评君怎么想到了《三体》里的雷迪亚兹啦。。。

说回核聚变发电，这两年核聚变领域确实挺受关注。

特别是去年以来，国内外不少民营资本正在涌入核聚变领域。

比如硅谷创业孵化器 YC 前 CEO 山姆·阿尔特曼 、PayPal 联合创始人彼得·蒂尔等硅谷名流和风投机构，向 Helion（2013 年成立，美国公司）投资了 5 亿美元；

Helion公司的核聚变原型机▼

从麻省理工学院独立出来的核聚变创业公司 CFS，拿到比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google 等 30 位富豪、公司或机构超过 18 亿美元的融资，比美国政府当年给核聚变研究的拨款还多。

在国内，星环聚能、能量奇点等核聚变领域创业公司也都完成了数亿元大额融资。

这些民营公司，给核聚变研究带来了不少新气象。

例如，前面提到的 CFS 公司，发明了一种高温超导体材料，用来包裹聚变反应炉的外壳。

CFS公司的原型反应堆▼

这可以让聚变反应炉的磁场强度高几十倍，从而大幅提高核聚变的发电效率，并且缩小反应炉的体积。

不管怎么说，核聚变的新老玩家一起，让人类通往可控核聚变的技术道路，朝着“条条大路通罗马”的面貌转变。

说不定，有生之年，真就能看到可控核聚变实现啦。

撰文：海净编辑：面线

标签： 美国能源

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