12月13日，美國(guó)那邊傳來(lái)了一個(gè)核聚變領(lǐng)域的大新聞——?jiǎng)趥愃埂だツ獱枌?shí)驗(yàn)室的“國(guó)家點(diǎn)火裝置”取得了前所未有的重大突破。

(資料圖片僅供參考)

在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)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(méi)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(guò)無(wú)數(shù)次核聚變?cè)囼?yàn)，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(yàn)中做到了Q>1，實(shí)現(xiàn)了能量正增益！

美國(guó)“國(guó)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(lái)能源終極夢(mèng)想

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

在太陽(yáng)內(nèi)部，就時(shí)刻進(jìn)行著四個(gè)氫原子核（質(zhì)子）聚變成一個(gè)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(lái)，普照萬(wàn)物。

核聚變?nèi)剂峡梢詮暮Ｋ刑崛?，?hào)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(lái)為我所用， 人類將一舉解決未來(lái)的能源問(wèn)題，并有希望減少對(duì)化石燃料的依賴，扭轉(zhuǎn)全球氣候變暖的趨勢(shì)，前景十分美好！

早在70年前，人類就在地球上成功實(shí)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(guò)1000萬(wàn)噸TNT同時(shí)爆炸。 但那些能量無(wú)法被人類利用，因?yàn)槟鞘遣豢煽氐暮吮ā偛荒茈S隨便便就炸顆氫彈拿來(lái)發(fā)電用吧……

1952年，首顆氫彈試爆形成的蘑菇云 |美國(guó)能源部

想要實(shí)現(xiàn)人類未來(lái)能源的終極夢(mèng)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(lái)，實(shí)現(xiàn)所謂的 可控核聚變才行 。

為此，人類努力了幾十年，開(kāi)發(fā)出了多種可控核聚變?cè)囼?yàn)裝置，通過(guò)不同的途徑達(dá)成并維持類似太陽(yáng)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(wú)疑問(wèn)，這是需要消耗能量的。理論上說(shuō)，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(dòng)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(guó)家點(diǎn)火裝置”做到Q>1，有多么非同小可了。美國(guó)能源部對(duì)此也極為看重，甚至在正式發(fā)布成果之前還專門開(kāi)了媒體吹風(fēng)會(huì)。

那么，這個(gè)“國(guó)家點(diǎn)火裝置”是何方神圣？實(shí)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?cè)?|美國(guó)能源部

NIF，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置

美國(guó)“國(guó)家點(diǎn)火裝置”，全名叫National Ignition Facility，縮寫為NIF，1997年開(kāi)建，2009年建成，是一種慣性約束激光核聚變?cè)囼?yàn)裝置。

它所實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng)，稱為氘氚聚變。

地球上很難實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)核心處那種高溫高壓高密度的環(huán)境，太陽(yáng)內(nèi)部四個(gè)質(zhì)子聚變成一個(gè)氦核的過(guò)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(gè)質(zhì)子加一個(gè)中子，氚原子核是一個(gè)質(zhì)子加兩個(gè)中子。它倆聚變會(huì)生成一個(gè)氦原子核，并釋放出一個(gè)中子。

氫的3種同位素：氕、氘、氚，其中氕最為常見(jiàn)

要想實(shí)現(xiàn)氘氚核聚變同樣不易。兩個(gè)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(shí)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(jiǎn)單粗暴的，當(dāng)屬NIF所采用的慣性約束。它的原理很簡(jiǎn)單，就是把很多路強(qiáng)激光束聚焦在一個(gè)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。看起來(lái)并不大，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(guó)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(gè)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(gè)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(guò)程，會(huì)在慣性作用下，將高密度狀態(tài)維持一段時(shí)間。

激光射入黑腔，X射線照射靶丸 |Jacob Long/LLNL

這個(gè)過(guò)程說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)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(huì)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(kāi)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(xiàng)，都是高科技，都是拿錢燒出來(lái)的。

而美國(guó)這次實(shí)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(shí)算得上是一項(xiàng)里程碑式的成就，

那是不是說(shuō)明，核聚變發(fā)電就快要實(shí)現(xiàn)了呢？

還差得遠(yuǎn)！

核聚變發(fā)電？不，是你天真了……

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，NIF就不是為了核聚變發(fā)電而設(shè)計(jì)的。

想要真正實(shí)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(shí)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(lái)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(yàn)后，需要再過(guò)4-5個(gè)小時(shí)，才能開(kāi)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(mèng)想中的核聚變發(fā)電差距實(shí)在太大了。

另外，如何把核聚變產(chǎn)生的能量收集起來(lái)也是個(gè)大難題。

氘氚聚變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)14.1兆電子伏的快中子，聚變能量有80%都在這個(gè)快中子的身上。要想捕獲這部分能量很不容易，因?yàn)榭熘凶涌梢院茌p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(lái)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(wú)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(shí)現(xiàn)能量百分百轉(zhuǎn)化為電能，它還存在著一個(gè)“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(shí)現(xiàn)了Q=1.54，那也只是一個(gè)理想值，它仍然實(shí)現(xiàn)不了自持核聚變。

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

奧秘就在于NIF模擬核試驗(yàn)的能力。

NIF裝置的黑腔和靶丸結(jié)構(gòu)其實(shí)挺像一枚微型氫彈的。在大多數(shù)國(guó)家已經(jīng)簽署《全面禁止核試驗(yàn)》條約的大背景下，使用所謂的“科學(xué)裝置”來(lái)變相地進(jìn)行核試驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)能量正增益，在武器層面上會(huì)帶來(lái)很大好處，有助于設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，恐怕還有待時(shí)日。

再等 5040 30年肯定要的！

NIF裝置實(shí)現(xiàn)Q>1，是一項(xiàng)貨真價(jià)實(shí)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(shì)。

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

ITER是一個(gè)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(chǎng)約束在一個(gè)環(huán)形腔室內(nèi)，并維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

這樣一來(lái)，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(jì)聚變功率是50萬(wàn)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(huì)用于測(cè)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(gè)多國(guó)聯(lián)合開(kāi)展的項(xiàng)目（我國(guó)也有參與），ITER最大的問(wèn)題是“拖延癥”。由于種種原因，ITER的進(jìn)展極其緩慢，建成時(shí)間一拖再拖。目前的說(shuō)法是2025年建成，不過(guò)說(shuō)實(shí)話，我看懸。

而在ITER成功之后，要真正實(shí)現(xiàn)發(fā)電還要建設(shè)聚變示范堆，實(shí)現(xiàn)商用估計(jì)還要等更久。所以人們說(shuō)“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(méi)有。

現(xiàn)在，慣性約束的NIF裝置實(shí)現(xiàn)了Q>1，相信對(duì)ITER的建設(shè)也是一個(gè)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(zhēng)，美國(guó)一直偏愛(ài)慣性約束，這可能與它對(duì)模擬核試驗(yàn)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(duì)于想要和平利用核聚變的人類來(lái)說(shuō)，這也能算是大功一件了吧。

關(guān)鍵詞： 國(guó)家點(diǎn)火裝置 輸出能量 等離子體