可控核聚變取得重大突破，真的假的？

我這樣問并不是因為我對咱們人類的科技沒有信心。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。結果是美國能源部他們宣稱其采用慣性約束技術的可控核聚變裝置，國家點火裝置NIF，終于在2022年12月5日實現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會以此來講透可控核聚變。

其實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。

看起來相當簡單，當溫度高到一定的程度，物質就會從我們熟悉的三種狀態，固液氣變為第四種狀態等離子態，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。讓我們復習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。太陽的質量巨大，所以能夠在它的核心產生超強的壓力，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，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明白核聚變是怎么產生的了。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侃說可控核聚變永遠在等30年。不過科學家和工程師從來就不愿意等待，他們早就通過兩條技術路徑來探索核聚變的變現之道了，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。典型的代表是已經在法國南部建設了好幾年的，投資了數百億美元，有35個國家參與之多的英特爾國際熱核聚變實驗堆了。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現。甜甜圈其實是一個四周密布的磁線圈的環形聚變式，它們可以產生非常強的磁場，將被加熱成溫度遠超地球上所有耐熱材料極限的高溫等離子體束縛在其中，讓它們持續在那保持正確的密度和溫度，創造出實現原子核之間聚變的條件。

但是他目前遇到的挑戰是難以自持，也就是很難在我不繼續往里面輸入能量的情況下持續發生核劇變。其實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。

其實就是我們相當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，因為無論約束等離子體的磁場有多強，或是形成的有多好，最終難免都會由于圍繞磁場線旋轉的正原子核或者離子發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了嗎。唯一已知的解決方案就是使反應堆更大，這樣散射的離子就需要更長的時間才能夠到達等離子體的邊界。因此在此期間還可以發生更多的聚變了，有點簡單粗暴。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，利用超強激光來點燃位于一個圓球中央的微小燃料，當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的壓力將會為其中的原子創造一個融合在一起的完美條件，于是核聚變發生了。

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。看到沒，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際上，它比磁場約束更像是一個離現實遠的多的事業項目。

是的，美國能源部的發布會上說他們這次的實驗是用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。

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換，而電轉激光時沒有一點能量損失嗎？這一項很可能就把凈增益給抹平了。二來這樣的核聚變產生的能量，如何再次轉換回電呢？據我所知這里面的轉換損耗可大了去了。

因為這又是一個笑話，直到今天即使人類科技發展到了這種地步，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，就是用核聚變反應中產生的高速高能中子去轟擊甜甜圈外層的防護罩，讓這個防護罩升溫，再用這個溫度把水蒸發成水蒸氣，從而為渦輪機和發電機提供動力了，然后才能生產出我們想要的電力。

我猜即使慣性約束能夠比實驗走得更遠，大概率還是得要靠燒水，而燒水要是能把能量轉換效率提高到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

來源: 星空計劃