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美國(guó)這個(gè)核聚變項(xiàng)目,小學(xué)數(shù)學(xué)沒(méi)學(xué)好…(美國(guó)核聚變研究)

前兩天,《Nature》雜志評(píng)選出了2023年度十大科學(xué)人物,其中有一位叫做Annie Kritcher,她入選的原因是據(jù)說(shuō)她實(shí)現(xiàn)了可控核聚變的點(diǎn)火。

美國(guó)這個(gè)核聚變項(xiàng)目,小學(xué)數(shù)學(xué)沒(méi)學(xué)好…(美國(guó)核聚變研究)

當(dāng)然如果可控核聚變點(diǎn)火真的實(shí)現(xiàn)了,那實(shí)現(xiàn)它的人,我們?cè)趺慈グ?jiǎng)都不為過(guò)。但是Annie的所謂點(diǎn)火,不得不說(shuō)非常尷尬,今天我們就來(lái)講講這個(gè)事兒。

可控核聚變想必大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò),這個(gè)科幻小說(shuō)中的常客能在幾乎沒(méi)有污染的情況下產(chǎn)生取之不盡用之不竭的能量,被譽(yù)為是清潔能源領(lǐng)域的“圣杯”,也是人類(lèi)的終極夢(mèng)想之一。

Annie Kritcher所供職的NIF是美國(guó)能源部旗下的國(guó)家點(diǎn)火中心,從去年年底到今天,他們一共成功實(shí)現(xiàn)了4次成功“點(diǎn)火”:

2022年12月,輸入能量2.05MJ,產(chǎn)生能量3.15MJ;2023年,7月30日,輸入能量2.05MJ,產(chǎn)生能量3.88MJ;10月8日,輸入能量1.9MJ,產(chǎn)生能量2.4MJ;10月30日,輸入能量2.2MJ,產(chǎn)生能量3.4MJ。

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這四次實(shí)驗(yàn)值得吹噓的關(guān)鍵點(diǎn)在于,每次的產(chǎn)生能量都比輸入能量大,最多的一次達(dá)到了1.89倍,也就是說(shuō),有“凈能量增益”。

今年上半年我們?cè)?jīng)去探訪國(guó)內(nèi)的一些做核聚變的企業(yè),得出的結(jié)論是在極度樂(lè)觀的預(yù)期下,可控核聚變可能會(huì)在10年后進(jìn)入到發(fā)電階段。那么這個(gè)Annie Kritcher的研究成果,是否會(huì)實(shí)現(xiàn)換道超車(chē),把核聚變的商用時(shí)間進(jìn)一步提前呢?

對(duì)此我得說(shuō),她的這條實(shí)驗(yàn)路線,別說(shuō)產(chǎn)生能量達(dá)到輸入能量的1.89倍,2倍,就算將來(lái)有一天能達(dá)到100倍,都實(shí)現(xiàn)不了可控核聚變的發(fā)電。

為什么這么說(shuō)呢?

01

要知道這個(gè)問(wèn)題的答案,我們要看看NIF做了什么。

首先,先簡(jiǎn)單說(shuō)一下核聚變。

核聚變,簡(jiǎn)單說(shuō)就是兩個(gè)原子核聚合成一個(gè)核。這一反應(yīng)釋放出的能量比核裂變反應(yīng)更大。

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有多大呢?

以最容易實(shí)現(xiàn)的氘氚聚變,也就是氫帶一個(gè)中子的同位素和氫帶兩個(gè)中子的同位素的聚變反應(yīng)為例,氘原子的質(zhì)量為3.345*10-^27千克,氚原子的質(zhì)量是5.01*10^-27千克,氦-4為6.649*10^-27千克,中子為1.675*10^-27千克,反應(yīng)后質(zhì)量少了0.031*10^27千克,反應(yīng)質(zhì)量虧損在0.37%左右,虧損的質(zhì)量以能量的形式釋放。

人類(lèi)整體的發(fā)電功率大概是10^12方瓦,根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程換算到質(zhì)量的話,等于每秒消耗0.01克物質(zhì),對(duì)應(yīng)氘氚聚變反應(yīng)原材料就是整個(gè)人類(lèi)每秒需要消耗2.7克,一天是230公斤,一年是84噸。(當(dāng)然這里忽略了后續(xù)燒水發(fā)電的損耗)

也就是說(shuō),要維持全人類(lèi)一年的發(fā)電量,僅僅需要一輛百噸大卡車(chē)就能裝載全部的核聚變?cè)?/span>,就是這么離譜。

而且,這種發(fā)電方式既不排放二氧化碳,也沒(méi)有放射性的。

不過(guò),要讓核聚變發(fā)生可一點(diǎn)也不容易,原子核都帶正電荷之間存在靜電斥力,彼此越靠近靜電斥力就越大。

為此,就需要人為地制造相應(yīng)的條件,使得當(dāng)兩個(gè)原子核靠的足夠近,近到原子核內(nèi)部的強(qiáng)相互作用力大于靜電斥力,從而聚合在一起

為了創(chuàng)造這樣的條件,就需要將原子核加速到相當(dāng)高的速度。而微觀粒子的高速,在宏觀上就表現(xiàn)為溫度。以最容易實(shí)現(xiàn)的氘氚聚變?yōu)槔?,它在常壓下的反?yīng)溫度大約是1.5億攝氏度,太陽(yáng)核心溫度的十倍。

大家可以想象,一方面,1.5億的高溫沒(méi)有任何已知的材料能夠承受,于是如何約束核聚變的反應(yīng)原材料成了一個(gè)棘手的問(wèn)題;另一方面,創(chuàng)造這么高的溫度勢(shì)必需要消耗很多能量,搞半天放出的能量如果還沒(méi)輸入的能量多那就沒(méi)有意義了。這也是為什么,在探討核聚變發(fā)電時(shí),我們必須要關(guān)注“能量增益”。

目前,人類(lèi)實(shí)現(xiàn)核聚變有兩個(gè)流派。一個(gè)是以托卡馬克為代表的磁約束聚變,換言之,就是通過(guò)磁力來(lái)創(chuàng)造核聚變反應(yīng)的條件,我今年去參觀的公司就是這個(gè)流派的。另一個(gè)就是今天我們重點(diǎn)要聊的,以NIF為代表的慣性約束聚變。

慣性約束是什么意思呢?一個(gè)球在地面滾動(dòng),雖然受到向后的摩擦力,但卻依舊向前滾動(dòng),需要一定的時(shí)間才會(huì)停下來(lái),這就是慣性。

對(duì)應(yīng)到核聚變中,就是原子核加速靠近另一個(gè)原子核,雖然受到靜電斥力,但卻依舊因慣性而靠近,如果在足夠短的時(shí)間內(nèi)靠到了足夠近的距離,那就來(lái)不及彈開(kāi)了,核聚變就會(huì)發(fā)生。

NIF用激光實(shí)現(xiàn)了這個(gè)慣性約束核聚變的過(guò)程,具體是這樣的:

NIF將聚變材料設(shè)計(jì)成一個(gè)小小的靶丸,靶丸經(jīng)過(guò)激光照射后,會(huì)在表面形成一個(gè)等離子燒蝕層,這個(gè)等離子燒蝕層經(jīng)過(guò)加熱后爆炸,形成向內(nèi)的沖擊波,使得靶丸中心形成高溫高壓的環(huán)境。

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這一過(guò)程正是利用了向內(nèi)的沖擊波加速靶丸中心的原子核,利用其慣性,使其相互靠近至強(qiáng)相互作用力大于靜電斥力的位置,完成聚變。

不過(guò),NIF有192束激光,而靶丸卻很小,直徑只有2-3mm,對(duì)應(yīng)到我們常見(jiàn)的物體的話相當(dāng)于一顆胡椒,所以直接操縱192束激光向其照射無(wú)異于大炮打蚊子,很難保證靶丸被均勻加熱。而一旦加熱不均勻,就會(huì)導(dǎo)致靶丸材料受力不均勻,從而過(guò)快地散掉,中心就無(wú)法達(dá)到核聚變反應(yīng)的條件。

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所以,NIF設(shè)計(jì)了一個(gè)黃金制作的空腔,他們把靶丸放空腔里,然后用激光照射空腔,空腔被加熱后發(fā)出X射線,這些X射線就能均勻地加熱靶丸,于是,核聚變就成功的點(diǎn)火了。

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02

在了解了NIF實(shí)現(xiàn)核聚變的技術(shù)后,就可以好好說(shuō)一下,為什么我說(shuō)他們離真正被用來(lái)發(fā)電還有極其遙遠(yuǎn)的距離。

他們?nèi)ツ甑浇衲曜龅乃拇吸c(diǎn)火實(shí)驗(yàn),正如剛才所說(shuō),所謂的能量增益達(dá)到了1.26到1.89不等,也就是說(shuō),至少有百分之二十多的多余的能量可以拿出來(lái)發(fā)電。

是這樣嗎?

我們需要仔細(xì)看一下NIF的宣傳當(dāng)中沒(méi)有提到的,它的實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率。

首先,我們需要給激光器蓄能,把電能轉(zhuǎn)化為激光能量。NIF使用了一系列激光器來(lái)把激光放大、濾波、調(diào)頻,這一過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換效率,在90年代不到1%,據(jù)說(shuō)有些現(xiàn)代激光器能達(dá)到20%

其次,在激光照射到空腔后,激光能量一部分轉(zhuǎn)化為X射線能量,另一部分轉(zhuǎn)化為熱量。這一過(guò)程只有10-20%的能量傳遞給了靶丸。

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疊上這兩層Debuff之后,再加上激光在傳播過(guò)程中的損耗,真正照射到靶丸上的能量,已經(jīng)變成了初始電能的不到1%。

而NIF所說(shuō)能量增益方程式當(dāng)中的,輸入能量,是沒(méi)有考慮這兩層debuff的,這顯然非常的雞賊。

那么,真正的輸出輸入能量比是多少呢。

這個(gè)概念在業(yè)內(nèi)被稱為Q值。由于NIF并未公開(kāi)具體的研究成果,所以我們不好直接計(jì)算。但據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)部的物理學(xué)家Tammy Ma所說(shuō),每發(fā)2MJ激光,至少要消耗掉300MJ的電力。

所以實(shí)際Q值約為0.0067,而不是他們宣傳的1.89。

國(guó)際上通常認(rèn)為,可控核聚變真正能開(kāi)始商業(yè)發(fā)電,Q值至少要達(dá)到10,而在磁約束聚變,也就是托卡馬克路線上,由歐洲聯(lián)合環(huán)反應(yīng)堆(JET)所保持的Q值記錄是0.67.

現(xiàn)在,我想大家應(yīng)該能明白NIF的這個(gè)研究,在核聚變發(fā)電的歷史進(jìn)程中,到底是個(gè)什么地位了。

03

既然不能拿來(lái)發(fā)電,那NIF在那兒宣傳個(gè)什么勁呢?

我覺(jué)得有兩個(gè)原因:

其一,這本來(lái)就不是人家的主業(yè)

在NIF自我介紹中,他有三大職能:國(guó)家安全、科學(xué)研究和能源任務(wù)。

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其中的國(guó)家安全,是保持美國(guó)核武器儲(chǔ)備量上的威懾??茖W(xué)研究,是通過(guò)制造出與恒星內(nèi)部相似的環(huán)境,做基礎(chǔ)科學(xué)研究。而能源任務(wù)則被排到了最后。

就實(shí)際成果而言,國(guó)家安全方面咱們不得而知,不過(guò)相信大家也能看出,慣性約束核聚變,非常像是一個(gè)超級(jí)小當(dāng)量的氫彈,在國(guó)際社會(huì)禁止核武器實(shí)驗(yàn)的當(dāng)下,它可以用來(lái)做核試驗(yàn)的替代。而就科學(xué)研究而言,NIF就曾參與了極紫外光刻技術(shù)的研發(fā),沒(méi)錯(cuò),就是那個(gè)芯片制造里卡了我們脖子的技術(shù),也就是說(shuō)它在研究核聚變過(guò)程中開(kāi)發(fā)出的技術(shù),比如說(shuō)激光技術(shù),還是很有用的。

其二,錢(qián)。

現(xiàn)在世界各國(guó)做科研就像在做產(chǎn)品,不僅要產(chǎn)品本身好,還要會(huì)營(yíng)銷(xiāo)。營(yíng)銷(xiāo)好,才有科研資金,有科研資金,才能做出更好的成果。在這一邏輯閉環(huán)中,營(yíng)銷(xiāo)(吹牛逼)是不可或缺的一環(huán)

“實(shí)現(xiàn)人類(lèi)終極能源,可控核聚變”,這牛逼一吹出來(lái),那種厚重感與使命感就上來(lái)了。營(yíng)銷(xiāo)噱頭完爆核武器替代實(shí)驗(yàn)或者虛無(wú)縹緲的中間技術(shù)。

這不,自從四次點(diǎn)火,實(shí)現(xiàn)所謂“凈能量增益”后,錢(qián)跟著就來(lái)了。12月12日,美國(guó)能源部宣布花4200萬(wàn)美元建了慣性聚變研究中心,同時(shí)Annie Kritcher所在的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還拿到了1600萬(wàn)的聯(lián)邦資助。

但說(shuō)實(shí)話,我個(gè)人非常不喜歡Annie Kritcher吹的這個(gè)牛逼。

你想要拿經(jīng)費(fèi)這本身沒(méi)有問(wèn)題,但是你不應(yīng)該嘗試去占,“第一個(gè)實(shí)現(xiàn)可控核聚變點(diǎn)火”這一榮譽(yù)。因?yàn)樗歉淖內(nèi)祟?lèi)歷史的革命性發(fā)明,相當(dāng)于普羅米修斯盜火,它應(yīng)該屬于真正實(shí)現(xiàn)它的人。

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