美國(guó)核聚變達(dá)成正效益，人類(lèi)有望獲得"能源圣杯"？-簡(jiǎn)訊

美國(guó)能源部即將發(fā)表重大聲明，人類(lèi)或首次實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)凈能量增益，這意味著什么？

意味著慣性約束聚變發(fā)電，人類(lèi)邁出了一大步。

前方最少還有1000步，但也可能是+∞步。

(資料圖)

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的慣性約束聚變是什么？

本質(zhì)上相當(dāng)于一場(chǎng)小型氫彈爆炸。

氫彈爆炸的原理，其實(shí)就是通過(guò)原子彈產(chǎn)生慣性約束聚變。

上方的小型原子彈內(nèi)爆后，會(huì)產(chǎn)生大量的X光射線(xiàn)，X光射線(xiàn)會(huì)在蛋殼內(nèi)反射匯聚，照射到包裹氫同位素聚變?nèi)剂系耐鈿ぃň郾揭蚁┡菽┥稀?/p>

上億℃的高溫，直接讓聚苯乙烯泡沫等離子體化，其極速膨脹，從而向內(nèi)對(duì)氫同位素產(chǎn)生極的壓強(qiáng)和溫度，突破聚變材料強(qiáng)相互作用力距離，從而最終點(diǎn)燃引爆。

氫彈誕生之時(shí)，就有人想過(guò)聚變發(fā)電。

最初科學(xué)家想到的就是核爆發(fā)電，而且有的具有可行性。

例如，1977年，蘇聯(lián)科學(xué)家薩哈洛夫提出的核爆艙發(fā)電：

這設(shè)計(jì)風(fēng)格符合蘇聯(lián)的硬核和奔放。

但實(shí)際，這是一個(gè)理論可行的方案。

根據(jù)科學(xué)家的數(shù)據(jù)推算，建造小型這樣的發(fā)電站是足夠安全的。需要克服的主要兩個(gè)：

降低爆洞工作溫度降低沖擊波破壞作用

傳熱方面，前者可以用鈉和鉀的混合物。后者則可以用花崗石作基巖，不銹鋼作內(nèi)襯[1]。

考慮到核擴(kuò)散（《核不擴(kuò)散條約》限制了氫彈爆炸發(fā)電的利用）和其它不安定因素，目前并沒(méi)有國(guó)家真正實(shí)施這樣的計(jì)劃。

所以，才有美國(guó)為首的國(guó)家率先啟動(dòng)了小型的慣性約束聚變，現(xiàn)在中國(guó)這方面其實(shí)已經(jīng)做到了僅次于美國(guó)。

點(diǎn)燃原理，幾乎和氫彈引爆沒(méi)啥區(qū)別。

利用高能X射線(xiàn)照射聚變靶，加熱聚變靶表面物質(zhì)，令其等離子體化。

等離子體化的高溫高壓物質(zhì)，壓縮氫同位素，使得聚變材料密度達(dá)到鉛密度20倍（超過(guò)200g/cm^3)，溫度達(dá)到1億℃，并最終點(diǎn)燃?xì)渚圩儭?/p>

由于氫聚變會(huì)釋放龐大能量，所以這個(gè)靶其實(shí)很小。

有多小呢？

如圖。

比常見(jiàn)的小鋼珠還要小。

慣性約束聚變玻璃微球：內(nèi)可填充氘氚氣體或氘氚冰

氫彈我們還能用原子彈來(lái)來(lái)產(chǎn)生高能X射線(xiàn)，激發(fā)等離子體來(lái)引爆。對(duì)于這么小的聚變材料，自然不能用核彈了（核彈具有最小的臨界質(zhì)量限制）。

那應(yīng)該如何產(chǎn)生點(diǎn)燃的高能X射線(xiàn)呢？

現(xiàn)在主流的就是用激光。

不過(guò)，為了制造這個(gè)高能X射線(xiàn)，付出的代價(jià)卻是極高。

我們以美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)為例。

為了制造高能X射線(xiàn)，需要先讓大量的激光射入一個(gè)專(zhuān)門(mén)制造的鍍金黑腔內(nèi)。

激光在壁內(nèi)不斷反射加熱，最終產(chǎn)生X射線(xiàn)。

X射線(xiàn)最終點(diǎn)燃提前放置在黑腔內(nèi)的微球。等離子體化的微球表面瞬間膨脹，使得聚變材料在幾納秒內(nèi)產(chǎn)生3500~400km/s的速度， 朝著內(nèi)部撞擊，產(chǎn)生數(shù)百GPa的壓強(qiáng)，并最終發(fā)生核聚變[2]。

由于所有高能激光需要精準(zhǔn)地入射，所以需要精準(zhǔn)控制。

這是定位系統(tǒng)：

同時(shí)還需從配一個(gè)龐大的靶室，當(dāng)初修建靶室的時(shí)候，由于過(guò)大，不得不分段建造：

然而這么大的靶室僅僅只是龐大點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)室的一部分：

包括外部建筑面積的話(huà)，足足有三個(gè)足球場(chǎng)大小

兩邊的激光產(chǎn)生后，從藍(lán)色到紅色，最終進(jìn)入靶室。

你沒(méi)有看錯(cuò)。

如此龐大的系統(tǒng)，僅僅只是為了引爆那么一顆小小的微球。

這個(gè)裝置單次打靶輸出功率達(dá)到400~500MJ。

2021年通過(guò)477 MJ的電能，產(chǎn)生1.8 MJ的紫外激光，最終得到了1.3 MJ的聚變能。然后接下來(lái)的一年，竟然無(wú)法完成重復(fù)試驗(yàn)，期間竟然只能產(chǎn)生200~700KJ的聚變能。直到解決了一些基礎(chǔ)物理問(wèn)題后，才在2022以后，確定了它的可重復(fù)性[3][4]。

從歷年來(lái)該裝置的聚變能變化，可以直觀看出2021年的斷崖式飛越。

2022的這次突破，本質(zhì)上還是2021技術(shù)突破打下的基礎(chǔ)：

使用422MJ的總電能，激發(fā)192 臺(tái)激光器，最終輸入2.1MJ的激光，產(chǎn)生2.5MJ的聚變能， 達(dá)到Q＞1（其實(shí)僅僅只是激光進(jìn)入黑腔之后Q＞1，完全沒(méi)考慮總用電量）。

激光器的效率本身是1~5%，但很明顯，在實(shí)際應(yīng)用中，加上紅外線(xiàn)到紫外線(xiàn)的轉(zhuǎn)化損失，NIF 的總激光輸入甚至沒(méi)達(dá)到1%，堪堪在0.5%上下。

考慮發(fā)電時(shí)，需要通過(guò)熱交換器，利用熔融物質(zhì)把熱量交換出去之后，才能燒烤開(kāi)水發(fā)電。按照目前的人類(lèi)技術(shù)，它的發(fā)電效率是很難超過(guò)40%。

值得說(shuō)明的是，這還不是穩(wěn)定的，并不是每次都能產(chǎn)生這么多，偶爾可能只產(chǎn)生0.1MJ。

即便我們往高了說(shuō)，假設(shè)50%的穩(wěn)定發(fā)揮。

那么，按照目前的投入和產(chǎn)出，可能平均1000MJ最終才能產(chǎn)生1MJ。

也就是說(shuō)，即便最理想的情況，人類(lèi)距離最初級(jí)的慣性約束發(fā)電條件，都還有1000倍的距離。

未來(lái)要實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變發(fā)電，至少需要解決這些技術(shù)：

1、點(diǎn)火效率進(jìn)一步提升，達(dá)到理論上輸入3MJ產(chǎn)生30MJ的效果，也即益10倍。2、激光器效率飛躍式提升，例如二極管技術(shù)理論上限是20%，考慮到損耗，我們預(yù)期實(shí)際上限是16%，加入激光之間的轉(zhuǎn)化損失穩(wěn)定到20%以下，那么最終能達(dá)到12.8%。這部分再增益10倍，那么多出28%，那么就真的可以實(shí)際運(yùn)用發(fā)電了。3、裝置打靶效率問(wèn)題，你弄了三個(gè)足球場(chǎng)，最終才打靶這么一個(gè)小點(diǎn)，還需要考慮黑腔置換，激光器散熱，靶室內(nèi)熱量傳輸發(fā)電問(wèn)題。由于聚變效率一般只有10%，還需要考慮氘氚的回收。如何設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)置換黑腔、回收氘氚，同時(shí)轉(zhuǎn)化輸入輸出熱熔物質(zhì)發(fā)電，還要保證高效率，是這個(gè)系統(tǒng)必須解決的技術(shù)問(wèn)題。

第1點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)火能量提升了，微球聚變材料面密度再提升，自然就能做到更充分的聚變。這個(gè)隨著技術(shù)發(fā)展，是可能做到的。

第2點(diǎn)，這是最關(guān)鍵的技術(shù)，達(dá)到20%對(duì)于現(xiàn)今人類(lèi)猶如登天。10%還是有希望的。但如果只有10%的話(huà)，就無(wú)法達(dá)成總正收益，無(wú)法去發(fā)電。從目前來(lái)看，做到超過(guò)10%，就有點(diǎn)賭運(yùn)的趨勢(shì)了。

第3點(diǎn)，由于現(xiàn)在很明顯還只是一個(gè)很簡(jiǎn)陋的，大力出奇跡的裝備。任何發(fā)電所需要考慮的技術(shù)難題，現(xiàn)在都很難去考慮。但其實(shí)只要第2點(diǎn)能做到，第3點(diǎn)弄得勉強(qiáng)一點(diǎn)，也有商用的希望。當(dāng)然一開(kāi)始因?yàn)榧夹g(shù)限制，可能這種電力會(huì)過(guò)于昂貴。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于慣性約束聚變發(fā)電，我們可能距離實(shí)現(xiàn)，最低還有1000倍的距離。但也有可能是一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)的距離。尤其是激光效率難以得到提升的話(huà)，就會(huì)成為一個(gè)死胡同。

總的來(lái)說(shuō)，微型慣性約束聚變發(fā)電，間接條件太多，損耗環(huán)節(jié)過(guò)多。甚至一些損耗，是哪怕達(dá)到技術(shù)天花板也是存在的。

所以，與其弄低效率的微型核爆發(fā)電（哪怕最終達(dá)到每秒鐘一個(gè)靶點(diǎn)，按照高的30MJ正收益10MJ來(lái)算，正收益功率也才10^7W，甚至不到三峽大壩的千分之一），還不如用地下核爆艙直接粗暴的方案。

應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一般越直接，越有效率。

環(huán)節(jié)越多，損耗越多，越難有廉價(jià)的實(shí)際運(yùn)用。

最后不得不說(shuō)的是，慣性約束聚變的技術(shù)突破，即便最終不能發(fā)電，在其他方面具有深遠(yuǎn)影響的。

這玩意兒可不僅僅能拿來(lái)發(fā)電。

還可以模擬核爆炸，研究核武器性能。進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)，模擬超新星爆發(fā)、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境，探索宇宙秘密。

除此之外，還能促進(jìn)材料和激光技術(shù)的發(fā)展，從而在航天、軍事上有著更加廣闊的運(yùn)用。

參考

^中國(guó)工程物理研究院：核爆炸的和平利用^Zylstra A B, Hurricane O A, Callahan D A, et al. Burning plasma achieved in inertial fusion[J]. Nature, 2022, 601(7894): 542-548.^Zylstra A B, Kritcher A L, Hurricane O A, et al. Experimental achievement and signatures of ignition at the National Ignition Facility[J]. Physical Review E, 2022, 106(2): 025202.^Abu-Shawareb H, Acree R, Adams P, et al. Lawson criterion for ignition exceeded in an inertial fusion experiment[J]. Physical Review Letters, 2022, 129(7): 075001.

關(guān)鍵詞： 等離子體