“可控核聚變”首次實(shí)現(xiàn)突破

前言：

科學(xué)家們從20世紀(jì)50年代起就開始研究如何通過模仿太陽的氫核聚變過程來產(chǎn)生能量。

如果攻克了這個(gè)最大的難題，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。

也就是說，到了那時(shí)，就不再有煤和石油燃燒產(chǎn)生的溫室氣體，不再有危險(xiǎn)、長效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的[清潔能源]。

而現(xiàn)在看起來，這個(gè)難題的第一步已經(jīng)被解決了。

“可控核聚變”首次實(shí)現(xiàn)突破

在太陽中，存在巨大的引力，而這種引力所產(chǎn)生的極端壓力，正為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

在太陽內(nèi)部，氫原子被加熱到等離子體狀態(tài)，電子不再圍繞質(zhì)子旋轉(zhuǎn)，然后釋放的原子核聚變形成氦原子和中子，釋放出巨大能量。

然而，太陽中有著能夠誘發(fā)核聚變的巨大引力，我們?nèi)祟悈s沒有這樣的自然條件。

12月5日，美國國家實(shí)驗(yàn)室的一次實(shí)驗(yàn)卻打破了這一局面。

據(jù)英國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）從一個(gè)實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)了[凈能量增益]，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于這一過程中消耗的能量。

研究團(tuán)隊(duì)輸入的能量為2.05兆焦耳（MJ），核聚變反應(yīng)后的輸出能量約為3.15兆焦耳，實(shí)現(xiàn)了150%的能量增益。

為了實(shí)現(xiàn)聚變，原子核需要在超過1000萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。

一旦原子核克服了這種排斥力，并進(jìn)入彼此非常接近的范圍，它們之間的核力吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。

要做到這一點(diǎn)，眾多原子核必須被約束在一個(gè)小空間內(nèi)，以增加碰撞的機(jī)會(huì)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施耗資35億美元，用近200臺(tái)激光器組成陣列，陣列有三個(gè)足球場那么大。

實(shí)驗(yàn)過程涉及用世界上最大的激光轟擊一小粒氫等離子體，基本上以每秒50次的速度產(chǎn)生一系列極快的重復(fù)爆炸，以啟動(dòng)核聚變反應(yīng)。

研究人員采用了慣性約束核聚變（Inertial Confinement Fusion）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一成就。

所謂[慣性]，是指在極短的時(shí)間內(nèi)，通過增溫和增壓來提高等離子體的溫度和壓力，利用原子核的慣性來阻止它們四散擴(kuò)散，完成融合。

托卡馬克裝置的工作原理是，將氫同位素等離子體加熱到超過1億攝氏度，它們會(huì)碰撞并產(chǎn)生聚變反應(yīng)。

這是人類歷史上首次實(shí)現(xiàn)可控核聚變，這一成果被稱為[點(diǎn)火]。

核聚變點(diǎn)火是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵步驟，是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的前提和基礎(chǔ)。

所謂的點(diǎn)火，指的聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或超過輸入能量的時(shí)刻。

該實(shí)驗(yàn)室采用了一種名為慣性約束聚變的方法，簡單來說是使用激光照射引發(fā)核聚變。

需要注意的是，雖然從2.05兆焦耳到3.15兆焦耳的結(jié)果看，該實(shí)驗(yàn)的確實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。

但要算上電能損耗等問題，此次實(shí)驗(yàn)投入的總能量實(shí)際上達(dá)到了400兆焦耳以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸出3.15兆焦耳。

背后的真正意義與商業(yè)可行性

在聚變發(fā)生后，合成物的質(zhì)量會(huì)比最初制造它們的部分更輕，丟失的質(zhì)量會(huì)轉(zhuǎn)化為巨大的能量。

E=MC2，這是太陽等恒星中一直發(fā)生的反應(yīng)。

如果核聚變技術(shù)能夠大規(guī)模應(yīng)用，它將提供一種沒有污染和溫室氣體的能源，也不會(huì)產(chǎn)生放射性廢料。

這是通往清潔能源可能性之路的絕佳方法，一個(gè)多世紀(jì)以來，我們對(duì)核聚變有了理論上的了解，但從了解到實(shí)踐的過程可能是漫長而艱巨的。

無論馬斯克看不看好，可控核聚變商業(yè)化落地，意義依然是巨大的。

要明確一下，可控核聚變商業(yè)化不太可能是安裝在車輛本身的小型反應(yīng)堆裝置，技術(shù)上難度巨大，也不符合汽車本身消費(fèi)品的屬性。

真正的意義在于，可控核聚變使電能取之不盡用之不竭，成本極低，而且完全0碳0排放。

始終被兩大技術(shù)難題困擾

第一大技術(shù)難題，是讓聚變反應(yīng)爐中的溫度，要長時(shí)間、穩(wěn)定地超過核聚變的臨界溫度。

科學(xué)家們計(jì)算，為了啟動(dòng)并且維持核聚變反應(yīng)，需要反應(yīng)爐內(nèi)部能夠長時(shí)間維持在大約2億攝氏度的高溫。

磁約束核聚變的辦法是，利用磁場構(gòu)建出了一個(gè)肉眼看不到的、能耐受2億攝氏度高溫的反應(yīng)爐。

然而這種方式，磁場不穩(wěn)定，且裝置的內(nèi)部會(huì)不斷受到高溫帶電粒子的沖擊，無法長期穩(wěn)定運(yùn)行。

至于這次美國人用的慣性約束核聚變，由于本質(zhì)上相當(dāng)于一場小型氫彈爆炸，倒是不愁溫度達(dá)不到2億攝氏度。

既然做不到[連續(xù)引爆]，自然沒辦法長時(shí)間、穩(wěn)定地維持超高溫度。

第二大技術(shù)難題，是核聚變裝置在實(shí)現(xiàn)[點(diǎn)火]之后，整體的能量效率大于1。

現(xiàn)實(shí)就是這么無奈，雖然核聚變能釋放大量的能量，但人類為了啟動(dòng)核聚變，耗費(fèi)的能量更多。

以磁約束核聚變?yōu)槔?，為了讓裝置內(nèi)部達(dá)到2億攝氏度的高溫，就需要使用大概上千萬瓦的微波設(shè)備對(duì)圓環(huán)的中心進(jìn)行加熱，但是這一項(xiàng)，就足以讓能量[入不敷出]了。

2013 年 10 月，LLNL公布的聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量僅有14千焦，激光耗能達(dá)到了1.8兆焦，凈能量增益僅有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，背后，肯定積累了不少工程經(jīng)驗(yàn)。

至少科學(xué)家們摸索出了，讓國家點(diǎn)火裝置 (NIF)穩(wěn)定產(chǎn)生高能量輸出的經(jīng)驗(yàn)。

這意味著科學(xué)家們，可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行下一步研究。

這一技術(shù)成果有三大里程碑式突破：

①首次證明了慣性聚變能 (IFE) 的基礎(chǔ)科學(xué)能力；

②美國正朝著核聚變發(fā)電廠建造，以及無限、零碳能源的目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步；

③有望應(yīng)對(duì)世界能源價(jià)格高企和迅速減少化石燃料燃燒的需求。

中美已在該領(lǐng)域展開技術(shù)競爭

過去這一年，中美等全球資本向這一領(lǐng)域投資也已接近200億元，較上一年比增長了139%。

從歷史上看，核聚變能源領(lǐng)域的研究一直是由政府主導(dǎo)、大型公共資助的實(shí)驗(yàn)室完成，比如牛津大學(xué)的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)爐、美國LLNL實(shí)驗(yàn)室等。

但近年來，隨著硬科技投資趨勢熱潮來臨，以及中國對(duì)新能源的高度重視，一批商業(yè)資本、風(fēng)險(xiǎn)投資開始涌入了核聚變能源的民營公司。

今年10月，中國[人造太陽]裝置的等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造新紀(jì)錄。

今年2月，探索可商業(yè)化聚變能源技術(shù)企業(yè)[能量奇點(diǎn)]宣布完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領(lǐng)投，紅杉中國種子基金和藍(lán)馳創(chuàng)投跟投。

今年6月，僅成立一年的商業(yè)聚變能研發(fā)公司[星環(huán)聚能]宣布完成數(shù)億元天使輪融資，中科創(chuàng)星等10家知名機(jī)構(gòu)參與投資。

結(jié)尾：

實(shí)際上，相較于核裂變，核聚變雖有眾多優(yōu)點(diǎn)，但目前仍處于研究第一階段。

要提高產(chǎn)能，擴(kuò)大商業(yè)化、普及化，多數(shù)專家認(rèn)為，最快恐怕得等到2050年。

總之，可控核聚變被認(rèn)為是一種終極的能源形式，一旦掌握，便可以幾近實(shí)現(xiàn)能源自由，這對(duì)于一個(gè)國家甚至全人類的發(fā)展，都有著極其重要的意義。

那么在未來，究竟是磁約束核聚變能先拔頭籌，還是激光約束核聚變能一馬當(dāng)先，我們還需要拭目以待。

部分資料參考：差評(píng)：《美國的可控核聚變有重大突破？》，鈦媒體：《中美“激戰(zhàn)”核聚變》，ZAKER：《可控的核聚變 不可控的未來》

編輯：黃飛