快到年底了，不少人都進(jìn)入沖刺狀態(tài)，開始努力刷業(yè)績(jī)工作了。
但誰(shuí)能想到，科學(xué)家們比我們還拼。
(資料圖片僅供參考)
這不，在核聚變領(lǐng)域，中美相繼搞出兩個(gè)大新聞。
先是 11 月 22 日，我國(guó)中核集團(tuán)的核工業(yè)西南物理研究院宣布，造出了全球最大“人造太陽(yáng)”國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆 （ITER） 的核心部件——被喻為 ITER “ 防火墻 ” 的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁。
接著，本周美國(guó)能源部 （DOE） 宣布，加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 （LLNL） 的科學(xué)家們，在國(guó)家點(diǎn)火裝置 （NIF） 中，實(shí)現(xiàn)了 “ 凈能量增益 ”，也就是產(chǎn)生的能量比輸入能量多。
一時(shí)間，對(duì)核聚變的討論多了起來(lái)。
也許，是美國(guó)能源部專門搞了個(gè)新聞發(fā)布會(huì)的緣故，網(wǎng)上對(duì)后者的討論尤其熱鬧。
比如，有的媒體說(shuō)，美國(guó)就要搞定核聚變發(fā)電了；
還有人發(fā)表陰謀論，說(shuō)這是美國(guó)在敲打中東的產(chǎn)油國(guó)。
那么，這次美國(guó)在核聚變上做出的突破，真有那么厲害嗎？
這個(gè)嘛，就得看你是用啥標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量了。
先說(shuō)結(jié)論：這次實(shí)現(xiàn)的 “ 凈能量增益 ”，很有科研價(jià)值，但基本沒啥應(yīng)用價(jià)值。
為啥這么說(shuō)，且聽差評(píng)君慢慢道來(lái)。
眾所周知，核聚變的原理是模仿太陽(yáng)，將兩個(gè)氫原子的質(zhì)子融合在一起，產(chǎn)生氦原子。
所不同的是，太陽(yáng)由于擁有巨大的質(zhì)量，可以直接靠巨大的壓強(qiáng)，讓氫元素中最常見的同位素——氕發(fā)生聚變，也就是點(diǎn)燃 “ 質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng) ”。
而在地球上，由于沒辦法模擬出太陽(yáng)的條件 （ 特別是壓強(qiáng) ） ，只能選擇所有核聚變反應(yīng)中，最容易發(fā)生的氘核 （ 重氫 ） 和氚核 （ 超重氫 ） 的聚變反應(yīng)。
美中不足的是，地球上不存在天然的氚，還得人工制造氚，成本要高一點(diǎn)。
為了讓核聚變能被人類有效利用，還得讓核聚變的速度和規(guī)模可控。
那么怎么才能核聚變可控呢？
目前，地球人 （ 喂，怎么用這個(gè)稱呼啊 ） 主要走兩條技術(shù)路線。
一條是磁約束核聚變，做法是加熱燃料，讓氘和氚等在極高溫下，完全電離為由原子核和自由電子組成的等離子體。
再利用特殊磁場(chǎng)，將超高溫的等離子體中約束在有限空間內(nèi)，讓它們進(jìn)行螺線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步加熱等離子體，直到產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。
磁約束核聚變以托克馬克裝置為主，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆 （ ITER ） 、我國(guó)的東方超環(huán) （ EAST ） ，都是托克馬克裝置。
另一條是慣性約束核聚變，做法是利用多束極高精度的激光，從四面八方向轟擊微小的核燃料，引發(fā)內(nèi)爆產(chǎn)生瞬間的高溫和高壓，用巨大的壓力使燃料發(fā)生核聚變反應(yīng)。
這種方法，在原理上和引爆氫彈沒啥區(qū)別，典型的裝置，就是這次美國(guó)勞倫斯實(shí)驗(yàn)室 （LLNL） 的國(guó)家點(diǎn)火裝置 （NIF） 。
此外，我國(guó)的神光，也是比較有代表性的激光核聚變裝置。
既然方法都想到了，那大家擼起袖子加油干就是了，怎么還鬧出了“永遠(yuǎn)的50年”的梗呢？
（注：永遠(yuǎn)的50年，是說(shuō)你在任何時(shí)候去問(wèn)科學(xué)家，可控核聚變還有多久可以實(shí)現(xiàn)？他都會(huì)告訴你，還有50年）
這是因?yàn)?，無(wú)論哪種方法，都難以攻克兩大技術(shù)難關(guān)。
至于這次美國(guó)人搞出的技術(shù)突破，雖然被美國(guó)能源部長(zhǎng)評(píng)價(jià)為“一項(xiàng)具有里程碑意義的成就”， 其實(shí)也還沒搞定哪怕一個(gè)問(wèn)題。
美國(guó)現(xiàn)任能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆▼
是哪兩大難題呢？
第一大技術(shù)難題，是讓聚變反應(yīng)爐中的溫度，要長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地超過(guò)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(zhǎng)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(chǎng)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。
托克馬克裝置結(jié)構(gòu)示意圖▼
然而這種方式，磁場(chǎng)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(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
至于這次美國(guó)人用的慣性約束核聚變，由于本質(zhì)上相當(dāng)于一場(chǎng)小型氫彈爆炸，倒是不愁溫度達(dá)不到2億攝氏度。
但想用在電廠里發(fā)電，需要每秒鐘引爆十次核聚變，而這次上了新聞的美國(guó)勞倫斯實(shí)驗(yàn)室（LLNL），每天 （注意是每天） 只能引爆一次……
而且，這套裝置的占地面積還很大，足有三個(gè)足球場(chǎng)那么大▼
既然做不到“連續(xù)引爆”，自然沒辦法長(zhǎng)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。
看到這個(gè)難題，你可能會(huì)詫異，核聚變釋放的能量那么多，咋就做不到整體的能量效率大于1呢？
現(xiàn)實(shí)就是這么無(wú)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)槔瑸榱俗屟b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(wàn)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。
托克馬克裝置內(nèi)部▼
更別提，為了產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)啥的，用掉的能量了。
你可能好奇，美國(guó)人不是說(shuō)這次產(chǎn)生了“凈能量增益”么，是不是這個(gè)問(wèn)題能解決??？
當(dāng)然不是。
這次，美國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)里，雖然產(chǎn)生了3.15兆焦耳的反應(yīng)輸出能量，比用來(lái)觸發(fā)反應(yīng)的輸入能量 （2.05兆焦耳） 多了近50%。
但是， 這是聚變產(chǎn)生的中子的能量與輸入的激光的能量之比，而并非輸出電能到輸入電能之比。
國(guó)家點(diǎn)火裝置的激光能量轉(zhuǎn)換為X射線▼
實(shí)際上，為了發(fā)射 2.05 兆焦的激光，耗費(fèi)了 300 兆焦的電能，整體的能量效率遠(yuǎn)小于 1。
這也是為啥，差評(píng)君在開頭說(shuō)，這次 LLNL 的研究沒啥應(yīng)用價(jià)值。
既然沒有應(yīng)用價(jià)值，那這次的發(fā)布會(huì)，是不是美國(guó)能源部的官員和科學(xué)家，在王婆賣瓜——自賣自夸呢？
也不能這么說(shuō)。
在科研層面上，這次突破是很有價(jià)值的。
2013 年 10 月，LLNL 公布的聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量?jī)H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(zhǎng)了 200 倍，背后，肯定積累了不少工程經(jīng)驗(yàn)。
歷年來(lái)該裝置的聚變能變化▼
別的不提，至少科學(xué)家們摸索出了，讓國(guó)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。
就算這次美國(guó)人的技術(shù)突破，最終不能用來(lái)發(fā)電，也能用來(lái)研究別的。
比如，我國(guó)工程院院士杜祥琬在接受采訪時(shí)，就表示美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的相關(guān)研究，可以用來(lái)模擬核爆炸，研究核武器性能。
工程院院士杜祥琬▼
此外，如果擴(kuò)展一下思路，還能發(fā)現(xiàn)，這些研究成果還能用在高能物理實(shí)驗(yàn)上，用來(lái)模擬超新星爆發(fā)、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境，進(jìn)行宇宙探索等。
核武器，宇宙探索，咦，差評(píng)君怎么想到了《三體》里的雷迪亞茲啦。。。
說(shuō)回核聚變發(fā)電，這兩年核聚變領(lǐng)域確實(shí)挺受關(guān)注。
特別是去年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少民營(yíng)資本正在涌入核聚變領(lǐng)域。
比如硅谷創(chuàng)業(yè)孵化器 YC 前 CEO 山姆·阿爾特曼 、PayPal 聯(lián)合創(chuàng)始人彼得·蒂爾等硅谷名流和風(fēng)投機(jī)構(gòu)，向 Helion （2013 年成立，美國(guó)公司） 投資了 5 億美元；
Helion公司的核聚變?cè)蜋C(jī)▼
從麻省理工學(xué)院獨(dú)立出來(lái)的核聚變創(chuàng)業(yè)公司 CFS，拿到比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、Google 等 30 位富豪、公司或機(jī)構(gòu)超過(guò) 18 億美元的融資，比美國(guó)政府當(dāng)年給核聚變研究的撥款還多。
在國(guó)內(nèi)，星環(huán)聚能、能量奇點(diǎn)等核聚變領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)公司也都完成了數(shù)億元大額融資。
這些民營(yíng)公司，給核聚變研究帶來(lái)了不少新氣象。
例如，前面提到的 CFS 公司，發(fā)明了一種高溫超導(dǎo)體材料，用來(lái)包裹聚變反應(yīng)爐的外殼。
CFS公司的原型反應(yīng)堆▼
這可以讓聚變反應(yīng)爐的磁場(chǎng)強(qiáng)度高幾十倍，從而大幅提高核聚變的發(fā)電效率，并且縮小反應(yīng)爐的體積。
不管怎么說(shuō)，核聚變的新老玩家一起，讓人類通往可控核聚變的技術(shù)道路，朝著“條條大路通羅馬”的面貌轉(zhuǎn)變。
說(shuō)不定，有生之年，真就能看到可控核聚變實(shí)現(xiàn)啦。
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