核聚變凈產(chǎn)能0.3度,，史上首次扭虧為盈

Callejon

12月13日，美國那邊傳來了一個核聚變領(lǐng)域的大新聞——勞倫斯·利弗莫爾實驗室的“國家點(diǎn)火裝置”取得了前所未有的重大突破。

在實驗中,，這個裝置輸入了總能量為2.05兆焦的激光,，引發(fā)了氘氚聚變反應(yīng)，最終輸出了3.15兆焦的能量,。

別看輸出能量沒多少,，連1度電都不到（1度電 = 3.6兆焦），但輸出能量與輸入能量的比值Q達(dá)到了1.54,，意味著輸出能量比輸入能量大了50%還多,。

而在此之前的幾十年里，人類進(jìn)行過無數(shù)次核聚變試驗,，能量方面全都入不敷出,。（好吧，氫彈除外……）

這是史上第一次,，人類在可控核聚變試驗中做到了Q>1,，實現(xiàn)了能量正增益！

美國“國家點(diǎn)火裝置”的前置放大器支撐結(jié)構(gòu) | Damien Jemison/LLNL

核聚變,，未來能源終極夢想

核聚變,，顧名思義，就是兩個或多個較輕的原子核結(jié)合,，生成1個較重的原子核,。

在太陽內(nèi)部,，就時刻進(jìn)行著四個氫原子核（質(zhì)子）聚變成一個氦原子核的反應(yīng),，將原子核中的一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，最終以光和熱的形式釋放出來,，普照萬物,。

核聚變?nèi)剂峡梢詮暮Ｋ�中提取，號稱“取之不盡,，用之不竭”,。 如果能把核聚變反應(yīng)搬到地球上來為我所用， 人類將一舉解決未來的能源問題,，并有希望減少對化石燃料的依賴,，扭轉(zhuǎn)全球氣候變暖的趨勢，前景十分美好,！

早在70年前,，人類就在地球上成功實現(xiàn)了核聚變——1952年，史上 首顆氫彈試爆成功,，釋放出的能量超過1000萬噸TNT同時爆炸,。 但那些能量無法被人類利用，因為那是不可控的核爆炸——總不能隨隨便便就炸顆氫彈拿來發(fā)電用吧……

1952年，首顆氫彈試爆形成的蘑菇云 | 美國能源部

想要實現(xiàn)人類未來能源的終極夢想,，單把核聚變搬到地球上還不夠,，聚變能量必須以較溫和的方式源源不斷地釋放出來，實現(xiàn)所謂的 可控核聚變才行 ,。

為此,，人類努力了幾十年，開發(fā)出了多種可控核聚變試驗裝置,，通過不同的途徑達(dá)成并維持類似太陽核心處的極端環(huán)境——那是核聚變反應(yīng)得以發(fā)生的先決條件,。

毫無疑問，這是需要消耗能量的,。理論上說,，只要由此引發(fā)的核聚變反應(yīng)能夠產(chǎn)生更多的能量，完全補(bǔ)償啟動核聚變所消耗的能量,，讓可控核聚變自我維持下去,，那這件事就算成了。

現(xiàn)在,，你大概可以理解,，“國家點(diǎn)火裝置”做到Q>1，有多么非同小可了,。美國能源部對此也極為看重,，甚至在正式發(fā)布成果之前還專門開了媒體吹風(fēng)會。

那么,，這個“國家點(diǎn)火裝置”是何方神圣,？實現(xiàn)了能量正增益之后，核聚變發(fā)電是不是就近在咫尺了呢,？

慣性約束激光核聚變原理 | 美國能源部

NIF,，美國國家點(diǎn)火裝置

美國“國家點(diǎn)火裝置”，全名叫National Ignition Facility,，縮寫為NIF,，1997年開建，2009年建成,，是一種慣性約束激光核聚變試驗裝置,。

它所實現(xiàn)的核聚變反應(yīng)，稱為氘氚聚變,。

地球上很難實現(xiàn)太陽核心處那種高溫高壓高密度的環(huán)境,，太陽內(nèi)部四個質(zhì)子聚變成一個氦核的過程也很復(fù)雜，條件比較苛刻,。相比之下,，氘氚聚變的要求要稍低一些,。

氘氚都是氫的同位素：氘原子核是一個質(zhì)子加一個中子，氚原子核是一個質(zhì)子加兩個中子,。它倆聚變會生成一個氦原子核,，并釋放出一個中子。

氫的3種同位素：氕,、氘,、氚，其中氕最為常見

要想實現(xiàn)氘氚核聚變同樣不易,。兩個原子核都帶正電,，距離越近，電荷產(chǎn)生的排斥力就越大,。要讓它們發(fā)生聚變,，距離需要接近到10-15米，也就是一根頭發(fā)絲兒的500億分之一,，溫度也必須要達(dá)到上億度才行,。

有多種方法可以產(chǎn)生這樣的極端環(huán)境實現(xiàn)可控核聚變，比如磁約束（即托克馬克）,、仿星器等,。其中最為簡單粗暴的，當(dāng)屬NIF所采用的慣性約束,。它的原理很簡單,，就是把很多路強(qiáng)激光束聚焦在一個特別小的點(diǎn)上，從而引發(fā)核聚變,。

NIF裝置的靶室 | LLNL

NIF裝置使用了192路紫外激光,，一次能打出2.05兆焦的能量，大概相當(dāng)于0.57度電,�,？雌饋聿⒉淮�,，但這是在3納秒（1納秒 = 1x10-9秒）之內(nèi)發(fā)出的脈沖,，瞬間的功率相當(dāng)于美國所有電站功率的大約1000倍。

在這些激光束所聚焦的地方,，放置了一個黃金制成的“黑腔”,。黑腔的中心就是靶丸，直徑只有2~3mm,。

NIF裝置的靶丸 | Damien Jemison/LLNL

192路激光分成上下兩束射進(jìn)黑腔,，產(chǎn)生強(qiáng)大的X射線，將靶丸的外殼瞬間變成等離子體,。

向四周飛散的離子產(chǎn)生反作用力,，以400千米/秒的速度極度壓縮靶丸裝有氘氚燃料的內(nèi)層,，達(dá)到上億度的高溫和數(shù)千億個大氣壓。

然后,，“呯”的一聲,，在靶丸中心區(qū)域引發(fā)核聚變。

所謂“慣性約束”,，是指靶丸外殼和燃料向內(nèi)壓縮的過程,，會在慣性作用下，將高密度狀態(tài)維持一段時間,。

激光射入黑腔,，X射線照射靶丸 | Jacob Long/LLNL

這個過程說起來容易，做起來卻極難,。

要產(chǎn)生如此高能量的激光束,，需要極為龐大和復(fù)雜的裝置；192路激光要恰好會聚在黑腔的兩端,；產(chǎn)生的X射線要均勻地壓縮靶丸,；中心區(qū)域聚變開始后，要在靶丸飛散之前,，讓盡可能多的燃料發(fā)生聚變,；等等等等。

這里的每一項,，都是高科技,，都是拿錢燒出來的。

而美國這次實現(xiàn)的能量正增益,，指的就是靶丸核聚變產(chǎn)生的能量已經(jīng)大于產(chǎn)生激光所消耗的能量,，滿足了核聚變反應(yīng)能夠“自持”的先決條件。

這確實算得上是一項里程碑式的成就,，

那是不是說明,，核聚變發(fā)電就快要實現(xiàn)了呢？

還差得遠(yuǎn),！

核聚變發(fā)電,？不，是你天真了……

簡單來說,，NIF就不是為了核聚變發(fā)電而設(shè)計的,。

想要真正實現(xiàn)核聚變自持，需要連續(xù)不斷地更換新的黑腔和靶丸,，實現(xiàn)每秒10次的頻率,，并把聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成電能，再用它來發(fā)出激光,。

而NIF的慣性約束聚變卻是一錘子買賣,，每進(jìn)行一次試驗后,，需要再過4-5個小時，才能開始下一次,。更何況,，它折騰完一次核聚變，產(chǎn)生的能量都不到1度電,，和夢想中的核聚變發(fā)電差距實在太大了,。

另外，如何把核聚變產(chǎn)生的能量收集起來也是個大難題,。

氘氚聚變會產(chǎn)生一個14.1兆電子伏的快中子,，聚變能量有80%都在這個快中子的身上。要想捕獲這部分能量很不容易,，因為快中子可以很輕易地穿透金屬材料而逃走,，需要在外面設(shè)置中子屏蔽和冷卻裝置，并用產(chǎn)生的熱量來發(fā)電,。

這些能力都不是NIF所能具備的,，因此把能量轉(zhuǎn)化成電能根本無從談起。

技術(shù)人員進(jìn)入NIF靶室內(nèi)部進(jìn)行檢查和維護(hù) | Philip Saltonstall/LLNL

而且,，就算假設(shè)NIF能夠連軸運(yùn)轉(zhuǎn),，就算真能實現(xiàn)能量百分百轉(zhuǎn)化為電能，它還存在著一個“致命缺陷”,，那就是——

要產(chǎn)生2.05兆焦的激光,，所耗費(fèi)的能量可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止2.05兆焦。各種設(shè)備都需要要冷卻,，再加上激光的損耗,，消耗的電能比這0.57度電可要大得多。

因此即使NIF宣稱實現(xiàn)了Q=1.54,，那也只是一個理想值,，它仍然實現(xiàn)不了自持核聚變。

要知道,，NIF裝置可是個燒錢無底洞,，12年的建設(shè)共耗資35億美元，快趕上一艘核動力航母了,。如此一來,，你大概會產(chǎn)生這樣一個疑問：為了這么一個不能發(fā)電的核聚變裝置,，美國人為什么投錢投得這么大方呢,？

奧秘就在于NIF模擬核試驗的能力。

NIF裝置的黑腔和靶丸結(jié)構(gòu)其實挺像一枚微型氫彈的,。在大多數(shù)國家已經(jīng)簽署《全面禁止核試驗》條約的大背景下,，使用所謂的“科學(xué)裝置”來變相地進(jìn)行核試驗,，才是NIF更重要的使命。

NIF的激光傳輸系統(tǒng) | Jacqueline McBride/LLNL

這次NIF實現(xiàn)能量正增益,，在武器層面上會帶來很大好處,，有助于設(shè)計更大當(dāng)量或者更加小型化的氫彈。

而人們心心念念的核聚變發(fā)電,，想要真正實現(xiàn),，恐怕還有待時日。

再等 5040 30年肯定要的,！

NIF裝置實現(xiàn)Q>1,，是一項貨真價實的重大突破，但慣性約束聚變裝置的固有特點(diǎn),，使它在持續(xù)發(fā)電方面有著天生的劣勢,。

相比之下，另一種磁約束聚變裝置就比較有優(yōu)勢了,。例如,，正在建設(shè)中的“國際熱核試驗堆”ITER，目標(biāo)就是Q>10,。

ITER是一個磁約束聚變裝置,，即“托克馬克”。它的原理是把極高溫度的等離子體用磁場約束在一個環(huán)形腔室內(nèi),，并維持足夠長的時間,。

這樣一來，氘氚燃料就能在腔內(nèi)持續(xù)聚變和輸出能量,，而腔室外面設(shè)置的含鋰包層則可以吸收中子能量并轉(zhuǎn)化成熱能,。

ITER的設(shè)計聚變功率是50萬千瓦，相當(dāng)于一座小型火電廠,，但I(xiàn)TER仍然不能發(fā)電,，只會用于測試聚變能量的轉(zhuǎn)化。

ITER結(jié)構(gòu)原理示意圖 | ITER

但作為一個多國聯(lián)合開展的項目（我國也有參與）,，ITER最大的問題是“拖延癥”,。由于種種原因，ITER的進(jìn)展極其緩慢,，建成時間一拖再拖,。目前的說法是2025年建成，不過說實話,，我看懸,。

而在ITER成功之后，要真正實現(xiàn)發(fā)電還要建設(shè)聚變示范堆,，實現(xiàn)商用估計還要等更久,。所以人們說“核聚變發(fā)電永遠(yuǎn)還需要再等50年”,，并不是一點(diǎn)道理也沒有。

現(xiàn)在,，慣性約束的NIF裝置實現(xiàn)了Q>1,，相信對ITER的建設(shè)也是一個刺激。

可控核聚變一直存在慣性約束和磁約束這兩大路線之爭,，美國一直偏愛慣性約束,，這可能與它對模擬核試驗的興趣有關(guān)，歐洲和日本就更傾向于磁約束的托克馬克裝置,。

或許,，NIF此次取得突破，能夠倒逼ITER加快進(jìn)度,，把“50年”縮短成40年甚至30年,，也不一定。（但肯定不可能再短了……）

對于想要和平利用核聚變的人類來說,，這也能算是大功一件了吧,。

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