可控核聚變?nèi)〉弥卮笸黄?，真的假的?/p>

我這樣問并不是因?yàn)槲覍υ蹅內(nèi)祟惖目萍紱]有信心。恰恰是太有信心，所以才會懷疑這次又是誰提前了別人30年舉起了圣杯。結(jié)果是美國能源部他們宣稱其采用慣性約束技術(shù)的可控核聚變裝置，國家點(diǎn)火裝置NIF，終于在2022年12月5日實(shí)現(xiàn)了人類期待已久的可控核聚變能量凈增益。

什么是能量凈增益?為什么獲得能量凈增益那么重要?今天我們就借著這個機(jī)會以此來講透可控核聚變。

其實(shí)我們早就在享受核聚變帶給我們的好處了。頭頂上的太陽，太陽或者說是所有的恒星，都是一個天然的核聚變反應(yīng)堆。所有的光和熱我們從誕生之日起就在享受的東西都是來自于太陽內(nèi)部，氫元素合并成重元素所釋放出來的能量。這里的氫元素和重元素分別指的是氫和氦一個典型的核聚變反應(yīng)。

看起來相當(dāng)簡單，當(dāng)溫度高到一定的程度，物質(zhì)就會從我們熟悉的三種狀態(tài)，固液氣變?yōu)榈谒姆N狀態(tài)等離子態(tài)，此時電子從原子中脫離，于是原子核與電子都開始了自由的穿梭，原本由于原子核都是帶正電的，它們彼此之間是會相互排斥而根本就結(jié)合合不到一塊去的，除非速度非常之快，快到排斥力還來不及把它倆推開之前它們就撞在一起了。

但為原子核提供這么高的速度非得要有上億攝氏度的溫度才行。讓我們復(fù)習(xí)一下太陽核心的溫度不過也才1,500萬攝氏度而已，為什么這里的氫核就能夠抱在一起變成氦核？

沒想到把！太陽居然作了一個弊，那就是他用壓力換掉了一部分的溫度。太陽的質(zhì)量巨大，所以能夠在它的核心產(chǎn)生超強(qiáng)的壓力，活生生的就把兩個原子核之間的空間給壓小了，所以哪怕速度慢一點(diǎn)，但抱上去的概率卻極大的增加了

好了說到這兒我相信你已經(jīng)明白核聚變是怎么產(chǎn)生的了。高溫和高壓，簡單嗎？在太陽上是很簡單，不過在地球上兩個條件同時滿足，還能維持上一段足夠的時間啟動聚變，真的就是太難了。

這就是為什么我們總是調(diào)侃說可控核聚變永遠(yuǎn)在等30年。不過科學(xué)家和工程師從來就不愿意等待，他們早就通過兩條技術(shù)路徑來探索核聚變的變現(xiàn)之道了，一條叫做磁場約束，另外一條叫做慣性約束。

我們先來說磁場約束。典型的代表是已經(jīng)在法國南部建設(shè)了好幾年的，投資了數(shù)百億美元，有35個國家參與之多的英特爾國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆了。它由一個叫做托卡馬克的長得像是個甜甜圈一樣的裝置來實(shí)現(xiàn)。甜甜圈其實(shí)是一個四周密布的磁線圈的環(huán)形聚變式，它們可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場，將被加熱成溫度遠(yuǎn)超地球上所有耐熱材料極限的高溫等離子體束縛在其中，讓它們持續(xù)在那保持正確的密度和溫度，創(chuàng)造出實(shí)現(xiàn)原子核之間聚變的條件。

但是他目前遇到的挑戰(zhàn)是難以自持，也就是很難在我不繼續(xù)往里面輸入能量的情況下持續(xù)發(fā)生核劇變。其實(shí)你要知道我們之所以要玩核聚變，就是為了能夠讓它給我們清潔又永恒的能量，但如果它本身的能量輸出，靠的是我們更多的能量輸入，還要它干嘛呢。

其實(shí)就是我們相當(dāng)看重的能量凈增益了。它代表我給你輸入一份能量，你至少得給我回報額大于一份的能量，大出去的部分就是凈增益了，當(dāng)然越大越好。

但托卡馬克的特性，很大程度上就限制了這樣的能量回報，因?yàn)闊o論約束等離子體的磁場有多強(qiáng)，或是形成的有多好，最終難免都會由于圍繞磁場線旋轉(zhuǎn)的正原子核或者離子發(fā)生的不斷碰撞和散射漂移出磁約束的場地了。而要是飄出去的燃料多了，燃燒不就是無法持續(xù)了嗎。唯一已知的解決方案就是使反應(yīng)堆更大，這樣散射的離子就需要更長的時間才能夠到達(dá)等離子體的邊界。因此在此期間還可以發(fā)生更多的聚變了，有點(diǎn)簡單粗暴。所以我們就可以看到，伊特為什么有6層樓高，直徑也有同樣差不多6層樓那么大，它就是為了給等離子體提供更大的包裹空間。不過就算是這樣的尺寸仍然不足以維持等離子體的持續(xù)燃燒并帶來能量，只能算是一個更大的測試裝置而已。

好另外一條路慣性約束會怎么做？用最簡單的話來說它是這么操作的，利用超強(qiáng)激光來點(diǎn)燃位于一個圓球中央的微小燃料，當(dāng)所有的激光束從各個角度同時擊中小藥丸的時候，其超高的溫度和超強(qiáng)的壓力將會為其中的原子創(chuàng)造一個融合在一起的完美條件，于是核聚變發(fā)生了。

可是這個微小的燃料究竟微小到了什么地步，放張圖給你們看看更加的直觀?？吹?jīng)]，它就這么大，而且這還是用來放置燃料的黑槍，意味著燃料本身必然就更小了。所以無論是看上去還是實(shí)際上，它比磁場約束更像是一個離現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)的多的事業(yè)項(xiàng)目。

是的，美國能源部的發(fā)布會上說他們這次的實(shí)驗(yàn)是用2.05造焦的入射激光能量換來了3.15造焦的燃料。核聚變釋放能量看起來是獲得了凈增益沒錯，但是它離人類拿到清潔能源的圣杯還差得遠(yuǎn)。

那一方面你激光的能量是怎么獲得的，是不是也要靠電來轉(zhuǎn)換，而電轉(zhuǎn)激光時沒有一點(diǎn)能量損失嗎？這一項(xiàng)很可能就把凈增益給抹平了。二來這樣的核聚變產(chǎn)生的能量，如何再次轉(zhuǎn)換回電呢？據(jù)我所知這里面的轉(zhuǎn)換損耗可大了去了。

因?yàn)檫@又是一個笑話，直到今天即使人類科技發(fā)展到了這種地步，咱們還是得要靠燒水，來提取其中的能量了。比方說磁性約束托卡馬克，就是用核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的高速高能中子去轟擊甜甜圈外層的防護(hù)罩，讓這個防護(hù)罩升溫，再用這個溫度把水蒸發(fā)成水蒸氣，從而為渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)提供動力了，然后才能生產(chǎn)出我們想要的電力。

我猜即使慣性約束能夠比實(shí)驗(yàn)走得更遠(yuǎn)，大概率還是得要靠燒水，而燒水要是能把能量轉(zhuǎn)換效率提高到40%以上就算是了不得的了。所以你算算這里面還有凈增益嗎？

所以總結(jié)起來說，這次突破它的確是個突破，但是離我們真正能夠享受到可控核聚變帶來清潔能源的那一天并沒有更近一些。

作者：甘戍冬