【创作培育计划】核聚变技术真的迎来突破了吗？

可控核聚变取得重大突破，真的假的？

我这样问并不是因为我对咱们人类的科技没有信心。恰恰是太有信心，所以才会怀疑这次又是谁提前了别人30年举起了圣杯。结果是美国能源部他们宣称其采用惯性约束技术的可控核聚变装置，国家点火装置NIF，终于在2022年12月5日实现了人类期待已久的可控核聚变能量净增益。

什么是能量净增益?为什么获得能量净增益那么重要?今天我们就借着这个机会以此来讲透可控核聚变。

其实我们早就在享受核聚变带给我们的好处了。头顶上的太阳，太阳或者说是所有的恒星，都是一个天然的核聚变反应堆。所有的光和热我们从诞生之日起就在享受的东西都是来自于太阳内部，氢元素合并成重元素所释放出来的能量。这里的氢元素和重元素分别指的是氢和氦一个典型的核聚变反应。

看起来相当简单，当温度高到一定的程度，物质就会从我们熟悉的三种状态，固液气变为第四种状态等离子态，此时电子从原子中脱离，于是原子核与电子都开始了自由的穿梭，原本由于原子核都是带正电的，它们彼此之间是会相互排斥而根本就结合合不到一块去的，除非速度非常之快，快到排斥力还来不及把它俩推开之前它们就撞在一起了。

但为原子核提供这么高的速度非得要有上亿摄氏度的温度才行。让我们复习一下太阳核心的温度不过也才1,500万摄氏度而已，为什么这里的氢核就能够抱在一起变成氦核？

没想到把！太阳居然作了一个弊，那就是他用压力换掉了一部分的温度。太阳的质量巨大，所以能够在它的核心产生超强的压力，活生生的就把两个原子核之间的空间给压小了，所以哪怕速度慢一点，但抱上去的概率却极大的增加了

好了说到这儿我相信你已经明白核聚变是怎么产生的了。高温和高压，简单吗？在太阳上是很简单，不过在地球上两个条件同时满足，还能维持上一段足够的时间启动聚变，真的就是太难了。

这就是为什么我们总是调侃说可控核聚变永远在等30年。不过科学家和工程师从来就不愿意等待，他们早就通过两条技术路径来探索核聚变的变现之道了，一条叫做磁场约束，另外一条叫做惯性约束。

我们先来说磁场约束。典型的代表是已经在法国南部建设了好几年的，投资了数百亿美元，有35个国家参与之多的英特尔国际热核聚变实验堆了。它由一个叫做托卡马克的长得像是个甜甜圈一样的装置来实现。甜甜圈其实是一个四周密布的磁线圈的环形聚变式，它们可以产生非常强的磁场，将被加热成温度远超地球上所有耐热材料极限的高温等离子体束缚在其中，让它们持续在那保持正确的密度和温度，创造出实现原子核之间聚变的条件。

但是他目前遇到的挑战是难以自持，也就是很难在我不继续往里面输入能量的情况下持续发生核剧变。其实你要知道我们之所以要玩核聚变，就是为了能够让它给我们清洁又永恒的能量，但如果它本身的能量输出，靠的是我们更多的能量输入，还要它干嘛呢。

其实就是我们相当看重的能量净增益了。它代表我给你输入一份能量，你至少得给我回报额大于一份的能量，大出去的部分就是净增益了，当然越大越好。

但托卡马克的特性，很大程度上就限制了这样的能量回报，因为无论约束等离子体的磁场有多强，或是形成的有多好，最终难免都会由于围绕磁场线旋转的正原子核或者离子发生的不断碰撞和散射漂移出磁约束的场地了。而要是飘出去的燃料多了，燃烧不就是无法持续了吗。唯一已知的解决方案就是使反应堆更大，这样散射的离子就需要更长的时间才能够到达等离子体的边界。因此在此期间还可以发生更多的聚变了，有点简单粗暴。所以我们就可以看到，伊特为什么有6层楼高，直径也有同样差不多6层楼那么大，它就是为了给等离子体提供更大的包裹空间。不过就算是这样的尺寸仍然不足以维持等离子体的持续燃烧并带来能量，只能算是一个更大的测试装置而已。

好另外一条路惯性约束会怎么做？用最简单的话来说它是这么操作的，利用超强激光来点燃位于一个圆球中央的微小燃料，当所有的激光束从各个角度同时击中小药丸的时候，其超高的温度和超强的压力将会为其中的原子创造一个融合在一起的完美条件，于是核聚变发生了。

可是这个微小的燃料究竟微小到了什么地步，放张图给你们看看更加的直观。看到没，它就这么大，而且这还是用来放置燃料的黑枪，意味着燃料本身必然就更小了。所以无论是看上去还是实际上，它比磁场约束更像是一个离现实远的多的事业项目。

是的，美国能源部的发布会上说他们这次的实验是用2.05造焦的入射激光能量换来了3.15造焦的燃料。核聚变释放能量看起来是获得了净增益没错，但是它离人类拿到清洁能源的圣杯还差得远。

那一方面你激光的能量是怎么获得的，是不是也要靠电来转换，而电转激光时没有一点能量损失吗？这一项很可能就把净增益给抹平了。二来这样的核聚变产生的能量，如何再次转换回电呢？据我所知这里面的转换损耗可大了去了。

因为这又是一个笑话，直到今天即使人类科技发展到了这种地步，咱们还是得要靠烧水，来提取其中的能量了。比方说磁性约束托卡马克，就是用核聚变反应中产生的高速高能中子去轰击甜甜圈外层的防护罩，让这个防护罩升温，再用这个温度把水蒸发成水蒸气，从而为涡轮机和发电机提供动力了，然后才能生产出我们想要的电力。

我猜即使惯性约束能够比实验走得更远，大概率还是得要靠烧水，而烧水要是能把能量转换效率提高到40%以上就算是了不得的了。所以你算算这里面还有净增益吗？

所以总结起来说，这次突破它的确是个突破，但是离我们真正能够享受到可控核聚变带来清洁能源的那一天并没有更近一些。

作者：甘戍冬