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12月13日，美國那邊傳來了一個核聚變領域的大新聞——勞倫斯·利弗莫爾實驗室的“國家點火裝置”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，引發了氘氚聚變反應，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，人類進行過無數次核聚變試驗，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，實現了能量正增益！
美國“國家點火裝置”的前置放大器支撐結構 | 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合，生成1個較重的原子核。
在太陽內部，就時刻進行著四個氫原子核（質子）聚變成一個氦原子核的反應，將原子核中的一部分質量轉化為能量，最終以光和熱的形式釋放出來，普照萬物。
核聚變燃料可以從海水中提取，號稱“取之不盡，用之不竭”。 如果能把核聚變反應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，實現所謂的 可控核聚變才行 。
為此，人類努力了幾十年，開發出了多種可控核聚變試驗裝置，通過不同的途徑達成并維持類似太陽核心處的極端環境——那是核聚變反應得以發生的先決條件。
毫無疑問，這是需要消耗能量的。理論上說，只要由此引發的核聚變反應能夠產生更多的能量，完全補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。
現在，你大概可以理解，“國家點火裝置”做到Q>1，有多么非同小可了。美國能源部對此也極為看重，甚至在正式發布成果之前還專門開了媒體吹風會。
那么，這個“國家點火裝置”是何方神圣？實現了能量正增益之后，核聚變發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，美國國家點火裝置
美國“國家點火裝置”，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。
它所實現的核聚變反應，稱為氘氚聚變。
地球上很難實現太陽核心處那種高溫高壓高密度的環境，太陽內部四個質子聚變成一個氦核的過程也很復雜，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：氘原子核是一個質子加一個中子，氚原子核是一個質子加兩個中子。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，電荷產生的排斥力就越大。要讓它們發生聚變，距離需要接近到10-15米，也就是一根頭發絲兒的500億分之一，溫度也必須要達到上億度才行。
有多種方法可以產生這樣的極端環境實現可控核聚變，比如磁約束（即托克馬克）、仿星器等。其中最為簡單粗暴的，當屬NIF所采用的慣性約束。它的原理很簡單，就是把很多路強激光束聚焦在一個特別小的點上，從而引發核聚變。
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，大概相當于0.57度電。看起來并不大，但這是在3納秒（1納秒 = 1x10-9秒）之內發出的脈沖，瞬間的功率相當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黑腔，產生強大的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層，達到上億度的高溫和數千億個大氣壓。 然后，“呯”的一聲，在靶丸中心區域引發核聚變。
所謂“慣性約束”，是指靶丸外殼和燃料向內壓縮的過程，會在慣性作用下，將高密度狀態維持一段時間。
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。
要產生如此高能量的激光束，需要極為龐大和復雜的裝置；192路激光要恰好會聚在黑腔的兩端；產生的X射線要均勻地壓縮靶丸；中心區域聚變開始后，要在靶丸飛散之前，讓盡可能多的燃料發生聚變；等等等等。
這里的每一項，都是高科技，都是拿錢燒出來的。
而美國這次實現的能量正增益，指的就是靶丸核聚變產生的能量已經大于產生激光所消耗的能量，滿足了核聚變反應能夠“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，核聚變發電就快要實現了呢？
還差得遠！
核聚變發電？不，是你天真了……
簡單來說，NIF就不是為了核聚變發電而設計的。
想要真正實現核聚變自持，需要連續不斷地更換新的黑腔和靶丸，實現每秒10次的頻率，并把聚變產生的能量轉化成電能，再用它來發出激光。
而NIF的慣性約束聚變卻是一錘子買賣，每進行一次試驗后，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，產生的能量都不到1度電，和夢想中的核聚變發電差距實在太大了。
另外，如何把核聚變產生的能量收集起來也是個大難題。
氘氚聚變會產生一個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，需要在外面設置中子屏蔽和冷卻裝置，并用產生的熱量來發電。
這些能力都不是NIF所能具備的，因此把能量轉化成電能根本無從談起。
技術人員進入NIF靶室內部進行檢查和維護 | Philip Saltonstall/LLNL
而且，就算假設NIF能夠連軸運轉，就算真能實現能量百分百轉化為電能，它還存在著一個“致命缺陷”，那就是——
要產生2.05兆焦的激光，所耗費的能量可遠遠不止2.05兆焦。各種設備都需要要冷卻，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宣稱實現了Q=1.54，那也只是一個理想值，它仍然實現不了自持核聚變。
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，你大概會產生這樣一個疑問：為了這么一個不能發電的核聚變裝置，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構其實挺像一枚微型氫彈的。在大多數國家已經簽署《全面禁止核試驗》條約的大背景下，使用所謂的“科學裝置”來變相地進行核試驗，才是NIF更重要的使命。
NIF的激光傳輸系統 | Jacqueline McBride/LLNL
這次NIF實現能量正增益，在武器層面上會帶來很大好處，有助于設計更大當量或者更加小型化的氫彈。
而人們心心念念的核聚變發電，想要真正實現，恐怕還有待時日。
再等 5040 30年肯定要的！
NIF裝置實現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，使它在持續發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勢了。例如，正在建設中的“國際熱核試驗堆”ITER，目標就是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形腔室內，并維持足夠長的時間。
這樣一來，氘氚燃料就能在腔內持續聚變和輸出能量，而腔室外面設置的含鋰包層則可以吸收中子能量并轉化成熱能。
ITER的設計聚變功率是50萬千瓦，相當于一座小型火電廠，但ITER仍然不能發電，只會用于測試聚變能量的轉化。
ITER結構原理示意圖 | ITER
但作為一個多國聯合開展的項目（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，要真正實現發電還要建設聚變示范堆，實現商用估計還要等更久。所以人們說“核聚變發電永遠還需要再等50年”，并不是一點道理也沒有。
現在，慣性約束的NIF裝置實現了Q>1，相信對ITER的建設也是一個刺激。
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，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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發表于 2022-12-16 10:22:08
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