酷搜科技 科技杂谈 美国可控核聚变重大突破?我觉得 牛吹大了

美国可控核聚变重大突破?我觉得 牛吹大了

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。

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。

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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。

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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。

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 比如,有的媒体说,美国就要搞定核聚变发电了;

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还有人发表阴谋论,说这是美国在敲打中东的产油国。

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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 ”。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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▼

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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▼

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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▼

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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▼

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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▼

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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▼

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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▼

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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。

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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▼

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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。

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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▼

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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。

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