可控核聚變重大突破：首次實現(xiàn)能量輸出超過輸入，但馬斯克早就預(yù)言：挺酷，但沒必要

思邈 2022-12-17 08:11:38 來源：量子位

賈浩楠 發(fā)自 副駕寺

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新能源重大進展，突如其來：

人類首次在聚變反應(yīng)中實現(xiàn)了凈能量增益。

意思是說，可控核聚變裝置中，輸出的能量首次大于輸入的能量。“人造太陽”朝商業(yè)化邁出第一步。

有多重要？

馬斯克一生追求廉價、清潔能源，幾乎窮盡一切手段：太陽能屋頂、鋰電儲能站、純電動汽車、可回收火箭……

他的一切所作所為，永遠圍繞一個主題：提升人類文明利用能源的規(guī)模和效率。

而學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界的普遍共識認(rèn)為，能源問題的終極答案就是可控核聚變。

一旦實現(xiàn)商業(yè)化，全人類會擁有廉價的、取之不盡的能源。

人造太陽重大進展

研究成果來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）。

直接上結(jié)果：

12月5日，LLNL一次新實驗，輸入的能量為2.05兆焦耳（MJ），在核聚變反應(yīng)后的輸出能量約為3.15兆焦耳。

能量增益高達約150%。

反應(yīng)堆輸出的3.15兆焦耳能量，大概夠燒開20壺水。

看起來不多，但重要意義是維持可控核聚變反應(yīng)的能量，第一次小于核聚變輸出的能量。

正循環(huán)的基本條件具備了，今后繼續(xù)降低可控核聚變的成本、提高效率的基礎(chǔ)也有了。

從人類認(rèn)識核聚變，到今天這一步一共走了90年（1932年人類發(fā)現(xiàn)核聚變程序）。

為什么這么難？

核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量的反應(yīng)。

以氘氚聚變?yōu)槔粋€自由質(zhì)子的相對原子質(zhì)量為1.007；一個自由中子的相對原子質(zhì)量為1.0084；由“兩個質(zhì)子+兩個中子”結(jié)合而成的氦負四原子，相對質(zhì)量為4.0026。

而4.0026<2*（1.007+1.0084）=4.0308，等式中缺失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為了能量，滿足的是質(zhì)能守恒定律。

1公斤氘氚聚變相當(dāng)于80544.9噸TNT當(dāng)量，這個效率遠遠超過人類有史以來利用過的任何能源。

但難點是，核聚變發(fā)生條件苛刻，需要極高壓和高溫，而一旦開始，又會瞬間釋放能量，難以控制。

所以人類對核聚變的首先應(yīng)用，是氫彈。

人造太陽要解決的難題，是采取合適的手段，使得核聚變過程受控。

具有一定可行性的可控核聚變裝置之一叫托卡馬克。中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

而反應(yīng)開始后，托卡馬克則利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變。

問題是——要維持托卡馬克內(nèi)的反應(yīng)，需要不斷輸入能量，遠大于裝置內(nèi)核聚變產(chǎn)生的能量。

而另一條技術(shù)路線，就是這次取得重大進展的激光核聚變。

人造太陽“正循環(huán)”，怎么實現(xiàn)的？

所謂激光核聚變，是用高功率激光作為驅(qū)動器，照射核燃料標(biāo)靶的慣性約束核聚變。

基于激光的反應(yīng)堆，可以讓核聚變在很短的時間內(nèi)發(fā)生，而且現(xiàn)在已經(jīng)一定程度上跨過了凈能量增益的門檻。

所謂“慣性”，簡單來說，就是在極短時間內(nèi)對聚變反應(yīng)中形成的等離子體增溫增壓，利用內(nèi)部原子核自身的慣性，讓它們在向四周膨脹逸散之前就克服彼此之間靜電斥力，完成融合。

具體過程是：使用激光照射核燃料標(biāo)靶，在光束加熱作用下，顆粒等目標(biāo)容器會向外爆炸。

在爆炸過程中，除了容器表層，其余部分會產(chǎn)生反作用力，使其向內(nèi)加速并壓縮里面的燃料。

另外，這個過程還會產(chǎn)生大量沖擊波，壓縮并加熱中心的燃料，從而促使核聚變發(fā)生。

但如果想要將聚變反應(yīng)堆應(yīng)用于商業(yè)發(fā)電，就需要讓激光器每秒加熱目標(biāo)至少10次。這并非根本不可能，但從工程角度來看，是非常困難的。

LLNL實現(xiàn)突破的方法，是利用美國的國家點火設(shè)施（National Ignition Facility，NIF）——世界最強大的激光點火裝置，用多達192道的激光束，照射處于輻射平衡態(tài)的空腔（hohlraum），也就是包裹著氘和氚，針頭大小的球狀顆粒。

通過激光作用，氘和氚的混合物形成了超熱氫等離子體。

另外，在反應(yīng)過程中，產(chǎn)生的X射線炸開了原來的粒子，燃料層內(nèi)爆，為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

最終在NIF的加持下，這次實驗產(chǎn)生了足夠多的熱量，并且這些熱量在燃料中傳播足夠快，使得輸出的能量超過了輸入。

△NIF，已耗資35億美元

這次實驗結(jié)果，其實也是一種“大力出奇跡”。

距離商用還有多遠？

知乎用戶@樹樹給出了這樣的估算：

100萬美元成本，燒了20壺水（還不算35億美元的設(shè)施成本），成本依然高得可怕。

但前景是樂觀的。

馬斯克怎么看

馬斯克早就有看法：

挺酷、行得通，但沒必要。

因為我們的頭頂一直就有一個取之不盡用之不竭的核聚變反應(yīng)堆——太陽。

所以馬院士認(rèn)為，最好的能源問題終極方案，是利用太陽能（風(fēng)能本質(zhì)也是太陽能的一種），而不是不計成本去搞人造太陽。

所以，馬斯克投資了太陽能、鋰電、新能源汽車、航天、城市交通、腦機接口…..唯獨沒投資核聚變。

最后，回歸到我們關(guān)注的新能源汽車。

無論馬斯克看不看好，可控核聚變商業(yè)化落地，意義依然是巨大的。

要明確一下，可控核聚變商業(yè)化不太可能是安裝在車輛本身的小型反應(yīng)堆裝置，技術(shù)上難度巨大，也不符合汽車本身消費品的屬性。

真正的意義在于，可控核聚變使電能取之不盡用之不竭，成本極低，而且完全0碳0排放。用車成本幾乎可以忽略不計。

人類要做的，只剩下建設(shè)合理的儲能運能體系——比如馬斯克正在搞的鋰電池儲能站。