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美国的核聚变要搞成了吗？ 原创：观雨 日期：2022-12-23  当地时间12月13日，美国能源部宣布，激光核聚变取得突破性进展，实现了能量输出/能量输入之比“Q值”大于1。  这则新闻立刻轰动全球，国内媒体也是一片沸腾，人类努力了大半个世纪的能源革命似乎马上就要大功告成，美国人再次站在了世界之巅。 事实果真如此吗？要搞清楚这个问题，就得先从核聚变的原理说起了。 一、核聚变的原理 我们现在看到的核电站发电用的是核裂变反应，就是通过铀235或者钚239等重原子核裂变成较轻的原子核来释放能量。  而核聚变正好反过来，它是由较轻的原子核聚变成较重的原子核，一般用氢的同位素氘[dāo]或者氚[chuān]聚变来释放能量。  与核裂变相比，核聚变不仅没有后续核污染问题，而且所需的材料氘是大海中普遍存在的元素。 地球上的储量极其丰富，不像铀235那么稀有。1升海水里含的氘元素进行核聚变所释放的能量相当于300升汽油。所以如果掌握了可控核聚变技术，就等于掌握了几乎无限的能源，人类的能量级别可以由此跃升一个大台阶，甚至会带来新的工业革命。 但遗憾的是，虽然不可控核聚变（氢弹爆炸）早早就实现了，但能够缓慢释放能量的可控核聚变却迟迟搞不定，为此人类已经努力了大半个世纪。 为什么可控核聚变那么困难呢？ 这是因为只有在极端的高温高压环境下，氘或氚的原子核才能克服电磁斥力发生聚变反应，而这个极端的环境非常难创造。 如果是氢弹那就很好办，只需要引爆一颗原子弹，马上就可以带来极端的高温高压，所以氢弹都是由其内部安装的小型原子弹引爆的。 只管炸不管控制当然简单，但如果想让能量释放变得可控，那就是另外一回事了。毕竟咱追求的是发电，而不是一家伙抹平一座城市。  想不靠原子弹去创造上亿度的高温高压环境是非常困难的，但这还不是最难的，真正的世纪难题是如何维持这个环境，这就相当于捧着一束上亿度的“烫手山芋”不松手。 目前没有任何已知的材料可以承受如此高温而不气化。但是如果想用可控核聚变来发电，就只能想办法创造一个容器来捧着这束上亿度的“烫手山芋”。 最终科学家们想到了强磁场：在真空区间内，靠强磁场约束住超高温等离子体不扩散开。这就是“托卡马克”磁约束装置的原理。  但是新问题又来了： 超强磁场虽然能约束住超高温等离子束防止其毁坏容器，但是要维持这个超强磁场本身就需要很大的外界电力。在当前的技术水平下，维持这套磁约束装置运转所消耗的电力比核聚变本身产生的能量还要多。 输入的能量比输出的还大，这当然是亏本的买卖。所以要想实现核聚变发电，首先得做到输出能量大于输入能量，起码是个挣钱的买卖才有必要运转下去。 目前比较成熟的“托卡马克”磁约束装置已经能做到输出/输入能量比值（Q值）为0.6左右，也就是输出已经达到了输入的六成，虽然距离1还有一点距离，但人类一直在接近。 而这时候美国突然宣布他们已经把核聚变的Q值搞到了1.5，也就是输出是输入的1.5倍，这当然举世震惊，给人的感觉就是“人类新的工业革命近在眼前了！”  如果真如人们所想的那样，那确实是人类能量利用的里程碑式革命。毕竟人类每次工业革命，都伴随着能源利用效率的跃升。 然而...... 二、避重就轻 美国这次用的是惯性约束激光点火方案。这套方案跟上面说的磁约束方案截然不同，完全是另一棵科技树上的玩意。  它的原理大概是这样的： 用氘氚核材料做成一个直径约3毫米的燃料小球，放入环空器内。然后用192束强激光同时打在环空器内壁上。 因为激光直接照射受热不均且温度不够，所以该装置就先用激光照到环空器内壁，通过这个办法激发环空器内壁射出X射线，这些X射线会把燃料球瞬间加热到几千万度，诱发核聚变，产生小型核爆。（这个过程中环空器内壁也会出现很大的材料损耗）  简单来说就是用激光束点爆了一颗超级袖珍的“氢弹”，引发一场袖珍核爆，释放了能量。 按美国最新的官方说法，在这个过程中: 输入能量为：2.05MJ 输出能量为：3.15MJ 因此Q值=3.15/2.05=154%，首次实现了Q值大于1，于是大家欢呼雀跃，普天同庆！ 但这套说法没告诉你的是：这个2.05MJ仅仅只是最后一步点爆小球用到的能量，之前一大堆步骤的能量损耗他没说。 比如说: 输入电转换成激光，效率其实很低。 激光再转换成X射线，效率同样也很低。 再加上蓄能等等一系列能量损失，整套操作下来的能量消耗其实是非常巨大的。 事实上，整个装置的总输入能量高达322MJ，经过层层损耗，最后射到核燃料小球表面的能量只剩下2.05MJ，最后靠这个2.05MJ的能量点燃了核聚变，产生了3.15MJ的能量。 也就是说如果算上全套装置的能耗，那么实际的Q值=输出3.15MJ/输入322MJ，连1%都不到……  这不是人类的希望，这是亏到姥姥家。 美国这种宣传方式是前面99步都不说，只说最后冲刺那一步，属于典型的偷换概念。 那么“托卡马克”磁约束装置也有话可以说的：如果只考虑核心点燃核聚变的耗能，不考虑外面约束磁场的耗能，我“托卡马克”磁约束装置的Q值早就过1了啊，大家还用得着忙活到现在？ 三、磁约束装置现状 看完上一节大家就会明白，美国那个科技树离实用实在差得太远，目前人类核聚变的主流方向仍是磁约束装置。该系统目前已经做到稳定0.6~0.7的效率，再努力努力就可以过1了。 一个是已经可以实现大约70%效率的磁约束方案，比一个目前效率只有连1%都不到的激光点燃方案。谁更接近发电一目了然。  实际上早在1997年，日本就已经宣布在“JT-60型”托卡马克装置上实现了Q值超过1。后来经过不断改良，一度达到Q值=1.2。只不过存续时间太短了，只能坚持1秒，根本没法发电。 所以人们又开始把努力的方向转到延长持续时间上，只有核聚变能维持足够长的时间，才有发电的价值。 实际上持续时长和Q值高低也有一定的此消彼长的关系。毕竟你只需要把约束磁场的耗电减弱，减小输入，能耗自然就降低，Q值自然就大了。但那样会减弱磁场对高温高压等离子体的约束能力，导致设备坚持不了多久就会被“烤熔”。 磁约束技术具体来说又有两个主流分类： 一种是最普遍的，前面说的“托卡马克装置”  中国的“托卡马克装置”处于全球领先地位，目前中国做到的水平是: 7000万度持续1056秒； 1.2亿度持续101秒； 1.6亿度持续20秒。 不管哪一项，都是世界纪录保持者  不过目前也还没能实现能量的正输出，按计划要等到2025年建好下一代实验堆和2030年建好工程堆才能实现正输出。  另外除了中国主攻的“托卡马克”装置，还有一种磁约束的装置叫做"仿星器"  这玩意绝对可以说是人类造出来最丑的高端工业品，不知道的人还以为是被谁给扭曲砸烂了，实际上它就是故意设计成这种拧巴的麻花模样。  “仿星器”目前有德国等一些国家在弄，现在大约是做到了2000万度，坚持100多秒左右的水平。此外还有一些"非主流"的核聚变方案，目前成果不多，就不一一列举了。 各种方案孰优孰劣现在还没有最终定论，参数也不能简单的横向同比，不过可以肯定的是，“托卡马克”装置是目前相对最成熟的方案。 其实欧美有挺长一段时间对核聚变这个事都不太积极，研发进展时断时续拖拖拉拉。其主要原因还是欧美的电力需求很多年都没怎么增长，没有需求自然就没有砸钱的积极性。其中有一些人的想法是等中国搞出来后再买过来直接用，这样比自己从头开始研发要省钱得多。  现在全球只有中国在这方面砸钱最积极，这主要是因为中国电力需求的增长幅度太大，所以急于砸钱升级能源装备，目前官方时间表是2030年实现发电，2050年实现商业发电应用。  四、激光点燃核聚变的意义 前面已经说了，激光点燃核聚变这个模式的效率实在太低，投入300份能量才能换来3份能量的效率属实离谱，所以大家都不怎么想爬这个科技树。而且最近这次实验还把装置的部分零件给炸坏了，亏得没边了属于是。  那么美国为什么要投入巨资去搞这么一个看上去很不实用的东西呢？ 原因是激光点燃核聚变有一定的军用价值。比如说它可以用于研发新型核弹，通过惯性约束激光引爆聚变模拟核武器爆炸，从而获得核试验数据。 这么做的原因是1996年《全面禁止核试验条约》正式生效，大家都不能再进行核弹引爆试验了。而美国一边想维持这个规则限制其他国家的核武器发展，一边又想作弊自己偷偷做实验，所以就想到了用激光引爆超袖珍核弹的方法来探索研究核武器的技术。  也就是说NIF这个耗资35亿美元的装置，一开始的规划就是为了研究核弹用的。但是既然都已经花了那么多钱，顺便宣传一下“成果”岂不美哉？  现在派出相关人士号称这个激光不仅可以点爆核弹，还能实现“释放能量大于点爆能量”的可控核聚变，忽悠一下吃瓜群众，壮壮自己的声威，也是极好的。至于产生激光过程中的损耗就完全不管了，反正大多数人也不懂，美国本来也没打算用这个来搞民用发电，只是军用附带的噱头罢了。 五、结语 最后我们总结一下： 技术成熟的“托卡马克”装置之所以卡了那么多年还没能实现能量的正输出，主要还是受制于超导技术和高昂成本。 如果不用超导的话，磁场的耗电就会非常大，导致装置难以实现能量正输出；而用了全超导后，就可以大幅降低能耗，把装置性能提升一大截。但是现在全超导成本太高，需要下决心砸钱。  另外还有一个严峻的现实是：即使能实现Q值刚刚过1，也还不具备真正的发电价值。因为这个输出比还不能抵消发电流程中的加热烧水蒸汽推动涡轮发电的物理能量损耗，远期来看需要Q值大于5才有发电。 中国是现在世界上第一个搞出大型全超导“托卡马克”装置（“EAST”）的国家（其他大多还是半超导或者无超导）。 我国正是基于全超导托卡马克装置运转得出的可行性前景，制定了2025~2030年建好实验堆和工程堆实现稳定正能量输出的计划。下一代Q值的目标甚至达到5~10。  除了我国外，韩国是世界上第二个搞出全超导“托卡马克”装置的国家，不过他的那个装置运转的各项参数没有中国的强。而其他国家则决心不够、投入不足，目前还没搓出来。 市面上还有一个国际合作的全超导“托卡马克”装置“ITER”，参与合作的国家有中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等，其中中国承担9%。美国则是搞到一半一度退出，后来想想又后悔了，最终又加入了回来。 但是这个项目的预算严重超标，导致各国扯皮严重。在这个情况下，该项目已经成功延期长达十年（从2017年推迟到2027年），深刻诠释了什么叫做“三个和尚没水喝”。  至于美国炒得沸沸扬扬的激光点爆核聚变技术，它的成本实在太高，每点爆一次所消耗的耗材成本都能贵到天上去，所以基本上不会成为未来发电技术的主流。 尽管过程艰难，但核聚变确实是人类世界最值得期待的技术之一，它很可能会开启人类文明的新纪元。国家间的竞争虽然客观存在，但无论谁把这个技术搞出来了，都是造福全人类的大好事。所以我们也期待所有国家的努力和成就，尤其是美国这个全球第一强国，希望他们能够支棱起来，干点真正有用的事情，别整天搁那咋咋呼呼的了。  参考资料： https://bigthink.com/ The laser energy delivered to the target was 2.05 MJ, and the fusion output was likely about 3.15 MJ. According to multiple sources on NIF’s website, the input energy to the laser system is somewhere between 384 and 400 MJ. Consuming 400 MJ and producing 3.15 MJ is a net energy loss greater than 99%. For every single unit of fusion energy it produces, NIF burns at minimum 130 units of energy. In terms of electrical power, 3.15 MJ would not quite power one 40-watt refrigerator light bulb for a day. Charging NIF steadily over the same day would draw 4,600 watts from the power grid. (NIF is actually charged much more quickly, but at the cost of a much higher draw in watts — more energy per unit time, over less time — but the total energy is the same.) https://time.com/ It’s important also to keep in mind the amount of energy that researchers managed to generate. The result of the recent DOE experiment might be characterized as a small explosion, but the 3.15 MJ it outputted is equivalent to the energy content of about a tenth of a gallon of gasoline. Notably, the energy that the lasers input into the reaction, 2.05 MJ, is only a tiny share of the 300 MJ of energy the facility needed to run the experiment. “I don’t want to give you the sense that we’ll plug the NIF into the grid,” said Kim Budil, director of Lawrence Livermore National Laboratory, speaking in a press conference on Dec. 13. “That is definitely not how this works.” 来源：公众号 观雨大神经 作者：观雨 文章仅代表作者观点，转载请注明来源及作者 文章搜索: 观雨 观雨大神经 中美 核聚变 美国 |
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