近期一则关于可控核聚变发电的新闻让许多人激动不已。 2022年12月13日美国能源部敲锣打鼓的宣布喜讯，人类在可控核聚变上终于取得正能量了，这个正能量是全世界研究实验室用了大约70年时间，让核聚变输出能量达到输入能量的1.53倍，那为什么这个正能量这么稀罕吗？咱们今天就来好好聊聊这个话题： 星际旅行科幻飞船 时间回到1919年的5月29日，在西非的普林西比岛，一个英国科研小队早早的架好了天文望远镜和各种测量仪器静静的等待著，因为这一天要发生一场日全食而普林西比岛是观测这场日全食的最佳位置，带队的科学家叫爱丁顿他是剑桥大学天文台台长也是一位物理学家，这时太阳的边缘开始出现黑影，日全食开始了。团队的观测仪器统统启动，照相机不停地按下快门，看着渐渐变黑的太阳爱丁顿突发奇想太阳的万丈光芒到底是从哪来的呢？两个小时以后光明重回大地，观测结束团队任务圆满完成，队友们都很高兴爱丁顿更加高兴，因为在这两个小时当中他已经完成了一次重要的头脑风暴，回到英国他奋笔疾书，很快的就完成了一本书叫做＂恒星的运动和宇宙的结构＂，书里说太阳之所以那么亮、那么热，是因为它内部正在发生核聚变，不仅仅是太阳，所有的恒星都是因为核聚变而发光发热，在20世纪早期原子核内部的事儿还不像今天这么科普，人们对此还相当陌生，所以书出版以后迎来的怀疑多于赞叹。 核聚变难道真有这么大的力量？ 时间又来到了1954年3月1日，一艘叫福龙丸号的日本渔船在太平洋上追踪到了一群金枪鱼的踪迹，船停了下来船员们兴奋地抛下钓网然后静静的等待金枪鱼自投罗网，然而他们不知道的是一场灾祸正在悄悄逼近，距离福龙丸号的停靠地西南方150公里的地方就是大名鼎鼎的比基尼环礁，它属于马绍尔群岛共和国，比基尼环礁并不算大，大约有600平方公里(包括潟湖)，从1946年开始这裡就成了美国的核试验基地，岛上的居民被全部迁走，一颗颗的原子弹在这裡爆炸，因为比基尼岛离周围的岛屿很远再加上美国海军在周围海域划定了危险区域，雷达也睁大眼睛监视著周围确保没有民用船隻闯入，所以一直以来也没出过什么幺蛾子，这边福龙丸号的船员们已经静静等待了两个小时了，船长和船员们估计著鱼儿应该已经进网了，正打算收网的时候突然他们感到西面传来了一道亮光，所有的人不由自主的扭头向西望去，只见西面的海平面上升起了一团比太阳还要亮的光球，在万丈光芒当中又升起了一道烈焰直冲云霄，在距离地面大约3千多米的高度它散成了一朵标准的＂蘑菇云＂，在二战末期才经历了原子弹灾难的日本人一下都警惕了，难道又是一颗原子弹爆炸了？船员们赶紧收网，好在渔船离比基尼岛还比较远隔了一百多公里，船员们还有点反应时间暂时还没有感受到强大的冲击波，就在船员们还在收拾渔具的时候，天空中突然下起了＂白粉＂，白色的粉末就像是雪花一样飘洒在甲板上和船员身上，有船员拿起这个白粉仔细一看是什么呢？原来是沙粒和被炸碎的珊瑚颗粒，船员们感到事情相当不妙赶紧驾船离开，在回程的路上船员们就开始出现恶心头晕等症状，一上岸船员们拔腿就往医院裡跑，果然诊断出来这23名船员都得了核辐射综合症，就在大家都以为是原子弹爆炸的时候东京大学对这个＂白粉＂的研究结果出来了，日本渔民遭遇到的可能是一种新型武器，因为渔船离爆炸地点太远，一般的原子弹的威力不足以一下子就把这些放射性物质抛掷这么远。那想来想去唯一的结论就是：这是一种新型核武器！日本政府立刻风风火火向美国提出了抗议，你们偷偷摸摸爆炸新型核武器，不仅伤害了我们的渔民还可能祸害我们的渔业。美国一听也警觉了，刚刚爆炸的这个叫＂布拉沃＂的氢弹是美国五角大楼的顶级机密，爆炸现场早就清场了雷达探测周围海域也没有船隻出入，怎么会被几个日本渔民给目击了呢？难道是苏联人在背后搞鬼吗？进一步调查才如梦初醒，原来是因为氢弹的威力太大了，是广岛原子弹的1000倍，那原先划定的原子弹试验场的危险区域就远远不够用了，就超出这个区域太多了，而日本的渔船是在原先划定的区域之外的，所以雷达也没有注意往那看，事后美国向日本赔偿了1500多万美金，这23个得了核辐射综合症的人经过治疗当中只有一人死亡。 那原子弹和氢弹有什么不同呢？ 简单的说原子弹是运用了核裂变的原理，而氢弹则是运用核聚变的反应原理，这是两种不同的核反应类型，原子弹使用的裂变材料一般是铀和钚，而氢弹所使用的聚变材料则是氢同位素家族的氘和氚，所以它才叫氢弹。通俗点讲裂变就是让一个原子核分裂成几个，而聚变是让几个原子核聚成一个，听上去虽然很相似都是原子核发生的故事，但实质差之千里，裂变产生的原子核很不稳定它有放射性，但是聚变后形成的原子核很稳定没有放射性。且慢，刚刚不是说了吗，日本渔民被＂布拉沃＂氢弹给核辐射了，怎么又说这个核聚变形成的原子核相当稳定没有放射性呢？是不是自我打脸了呢？其实这是由于氢弹的设计思路造成的，因为核聚变需要巨大的热量去催化，而设计师找不到这个热量的替代品，就只好用原子弹的爆炸去激发核聚变。其实这很好理解，就是要引发聚变反应需要的温度门槛太高，一般的起爆器达不到这个要求，所以就用原子弹当起爆器去引爆氢弹，聚变以后产生的巨大能量又会反过来让原子弹中还没有发生裂变的部分继续裂变，所以氢弹的爆炸过程是分为三步＂裂变-聚变-再裂变＂。说到这就一目了然了，造成放射性污染的其实并不是核聚变物质氘和氚，而是作为起爆器材料的裂变物质--铀，因为氢弹裡的铀裂变效率比一般的原子弹效率更高，所以它放射性更大、更污染环境，这个时候全世界才感受到了，原来当初爱丁顿的头脑风暴真是牛啊！ 左:枪机式、中:内爆式、右:二相氢弹 于是科学家们就都琢磨上了，如果核聚变能够用来发电该多好啊，那世界不仅能够有像太阳这样取之不尽、用之不竭的能源，而且还纯天然完全无碳的，说不定还能够让人类遨游太空的梦想成真呢！因为长途宇宙旅行最需要解决的就是能源问题。可是要用上核聚变能源需要两个条件：第一，你得找到原子弹的替身，就是能够激发核聚变的清洁能量，要不然聚变核电厂开一次机就得爆一颗原子弹来预热发动机，你说这玩意儿谁受得了呢？除此之外的第二个条件就是得把核聚变由不可控变成可控的，不仅要可控而且还得是那种持续输出能源的模式，氢弹作为一种武器它是一次性的，破坏性的释放能量是不可控的，这和汽油作为燃料但TNT炸药就不能作为燃料是一个道理。科学家们开始很乐观，因为核裂变仅仅用了12年时间就完成了华丽转身，由杀人武器转变成了造福人类的能源，1957年，也就是原子弹＂小男孩＂和＂胖子＂分别在广岛和长崎爆炸之后的第12年，世界上第一座核电厂在美国宾夕法尼亚州正式上马了，就是码头市核电厂。在那之后核电厂就如同雨后春笋一般在全球开花，而且已经完成了四代核技术革命，下面这张图蓝色的点就是目前全球正在运作的核电厂，黑色的点就是正在建造的核电厂，但是这些核电厂用的都是裂变式反应堆。 全球正在运作的核电厂 让人们很失望的是，从1954年第一颗氢弹＂布拉沃＂在比基尼岛爆炸之后，美国、欧洲、日本、中国都砸钱砸人想要率先完成核聚变的华丽转身，可利用聚变方式来发电却始终没有进展，终于2022年出来了重大结果，试验中的核聚变反应堆它的输出能量达到了输入能量的1.53倍，终于等来了这个让人期待已久的正能量了，核聚变终于变害为利，朝著人类可以利用的能源道路迈出了重要一步！ 可是当你仔细看了美国能源部发出的实验资料之后，可能心情不会那么激动了，心裡就会＂咯噔＂一下，为什么会＂咯噔＂一下呢？这就得从核聚变的技术发展史说起了，全球试验中的可控核聚变技术五花八门不下20种之多，我们今天就介绍其中最主要的两种： 第一种叫 托卡马克派 技术 托卡马克装置 我们简称它为托派，托派技术的特点是它用的那个装置外型像一个超大的甜甜圈，是一个环形装置叫托卡马克，甜甜圈的外部就像缠粽子一样裹上了无数笨重的磁铁线圈和无数的外挂装置，机器一启动甜甜圈内部的空气和杂质首先被抽走，然后就注入气态燃料，这个气态燃料也就是氢同位素氘和氚，这个时候再把甜甜圈外面的磁性线圈充上电，气态燃料在强大的电流下就被分解成了等离子体也就是一群自由电子和带电粒子，我们把它们叫做等离子体也叫电浆，那这些等离子体在电流和磁力的作用下就撞来撞去，越活动越嗨，让甜甜圈内越来越热，热到什么程度呢，可以让温度飙升到1.5亿-3亿摄氏度，这也就是核聚变发生所需要的温度，于是原子核就可以三三两两的聚合在一起完成聚变，再释放出巨大的能量了，当然除了高温还得维持等离子体的密度和它持续的时间聚变反应才能够成功，把这些能量收集起来一边输出另一边再源源不断的注入气态燃料，那这个过程大家看看像什么呢，是不是很像汽油的内燃机，你一踩油门汽油就喷入发动机的燃烧室和空气混合形成油雾燃烧以后气体膨胀推动活塞运动，你不停的踩油门就不断的重複这个过程，而托派核聚变装置也是藉用这个思路，那这不就是一个发光发热可控的小太阳了吗？BINGO！撒花！ 但是还是得且慢，上面所说的都是理想状态，现实却是另外一个样子了，目前全世界有30多个托卡马克实验室，无一例外都遭遇了滑铁卢，因为这些实验当中核聚变所产生的能量都远远少于输入的能量，到目前为止托派最成功的案例要数建在英国的欧洲联合环状反应炉简称为JET，运转JET需要25兆瓦的电力，聚变所产生的能量有多少呢，只有16兆瓦，所以大伙看看 25:16，也就是说你投入10块钱只能挣出来6块4毛，而且还没算上反应堆的附属设施和人员的投入呢，妥妥的就是赔本的买卖，技术上可行经济上不可行，但是这也就是托派方案目前能够拿到的最好成绩了。 第二种可控核聚变思路是 点火派 激光点火装置 它全名叫做美国国家点火设施，也就是美国能源部刚刚宣布的好消息中所使用的方式，可能大部分人对点火设施这个这个专业名词很陌生，其实它就是美国能源部造的一部激光装置，安装在加州的摩尔国家实验室，这套激光装置巨大无比，光安装它的厂房就有一公里长，它包含有6万多套电路高压电和激光等等各种高科技装置，看上去像是个傻大粗，但其实一点也不憨，因为它对精度要求高的耸人听闻，所有的机械安装必须完美，一件10多吨重的设备它的安装误差不能够超过100微米，这些设备工作起来那更加是比强迫症还强迫症，比处女座还处女座，必须是精度完美无缺，厂房内安装了192门激光炮，这些激光炮得在一奈秒，也就是10亿分之1秒之内同时发射并且击中一个豌豆大小的燃料球，整个过程的误差不能超过30皮秒，皮秒又是什么呢？一皮秒是1万亿分之一秒是10的负12次方，所以对精度的要求高得吓人，当燃料球被击中后燃料球的表面和托派的甜甜圈一样也会形成等离子体，这时小球表面的温度骤然升高，小球就外热内冷，内外受力不均匀它就会发生坍缩也叫内爆，这惊天的一爆就会让整个小球的温度在瞬间飙升到1.5亿-3亿摄氏度，正是核聚变所需要的能量，这个时候就能够引起小球内部的核聚变链式反应了。看到这儿您可能明白了，所谓点火就是指这个小球它在达到了聚变温度的那一瞬间，就像一根火柴划着了一样。美国能源部的声明说，这192门激光炮输入了2.05兆瓦的功率，能够让小球产生3.15兆瓦功率的能量，也就是说投入10块钱能挣出来15块3，终于有正向的产出了，这难道不是一个天大的喜讯吗？ 可是大伙也别太著急拍手欢呼，再仔细一看你心里就又该凉了，因为美国能源部公布的这个2.05兆瓦只是这192门激光炮发射的功率，再重复一遍这只是激光炮发射的功率，还有一个数字没有在喜讯当中提到，就是要让这192门激光炮工作需要输入322兆瓦功率的能量，这是在开玩笑吗？没错，其实就是我们开头说的托派甜甜圈也是一样的情况，要让那个JET甜甜圈启动需要700兆瓦的电力，所以托派的真正产出比是100:2.29，点火派的真正投入产出比是100:0.98，所以如果你按总体能源投入和产出的比例来看点火派还没有甜甜圈高呢，看到这组数据估计大家的心裡都和我一样，有一万只草泥马在心中跑过，这么低的效率你还图个啥呢？所以一直以来外界对可控核聚变嘲笑的声音就没有间断过，说你就是在浪费钱和精力，但是专家们的辩解是投入产出效率如此之低的原因是不论是激光炮还是甜甜圈，这些装置的本身就有很多bug，输入的能量大多数被消耗在不必要的地方了，这就好比你使劲吹一个浑身都是沙眼的气球，费尽九牛二虎之力也只能吹碗这么大，可是当你把沙眼都补好之后气球吹到房子这么大都是有可能的。现在在法国南部建起了一座新的托派反应堆叫国际热核聚变试验反应堆缩写是ITER，反应堆预计将在2025年开工，参与反应堆建设的国家一长串有欧盟、美国、中国、日本等等都上了，准备砸超过220亿欧元，大家的愿景是把这个ITER甜甜圈的各种漏洞尽量弥补上，争取降低输入功率提高产出点火派也没闲着也雄心勃勃，要提高激光炮的效率，要让系统产生的能量大于总体上输入的能量，不过从他们目前的投入产出比来看，无论是哪一派离他们的小目标都有点太远了，目前不管是托派还是点火派其实都只是做到了我们前面所说的可控核聚变的第一步，就是找到起爆器原子弹的替代品，而且目前都还是＂贵替＂还不是＂平替＂呢，解决了这一步之后下一步会更加艰难，下一步的任务是要能够可控的、持续的，输出核聚变的能量这才有意义，因为现在无论是托派还是点火派能够拿到的能量都是在极短时间内产生的，Jet甜甜圈就是5秒，点火派其实更短只有5微秒，一微妙也就是一百万分之一秒，要如何走到第二步让核聚变既可控又持续呢，科学家目前还没有计划，所以要让核聚变造福人类还有一段漫长的路要走。 不过值得欣慰的是无论如何踉踉跄跄第一步总算已经迈出去了，点火派已经实现了终端能量的正向输出了，所以美国能源部报喜也不算吹牛，千里之行始于足下，相当于是蹒跚学步的婴儿已经迈出去了第一步，要知道1946年人类第一台电子计算机诞生的时候真说得上是傻大憨粗还笨，占地170平方米重30吨，每秒钟才能够运算5000次，但是它的意义很重大。今天所说的可控核聚变进展也是一样，如果它能够完成向实用性的转变，那毫无疑问它将是21世纪人类取得的最能够改变历史的技术突破之一了。
