可控核聚變新方法顛覆預(yù)期，第一盞燈即將點(diǎn)燃？

昨天看到一則消息，顛覆了我對(duì)可控核聚變未來(lái)的預(yù)期。一個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的小初創(chuàng)公司Zap Engergy，正在通過(guò)一種全新的方法，既省了錢(qián)，又取得了重大突破。一些業(yè)內(nèi)專(zhuān)家和媒體對(duì)這個(gè)技術(shù)評(píng)價(jià)極高，認(rèn)為是可控核聚變技術(shù)的一個(gè)重要里程碑。

現(xiàn)在，Zap Engergy正在努力將這種技術(shù)模塊化，宣稱(chēng)不久的將來(lái)將推向市場(chǎng)。這次突破真的會(huì)大大縮短可控核聚變的商業(yè)化進(jìn)程嗎？我們來(lái)了解一下。

再簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)什么是可控核聚變/

可控核聚變就是利用太陽(yáng)內(nèi)部核聚變的原理，在地球上創(chuàng)造出長(zhǎng)久釋放的氫核聚變能源，用于造福社會(huì)。其實(shí)氫彈爆炸就是核聚變的能量，但是不可控的，“轟”的一聲就沒(méi)了，除了戰(zhàn)爭(zhēng)，不能造福社會(huì)。

而可控核聚變就是讓這個(gè)“轟”的一聲瞬間釋放的巨大能量，變成慢慢釋放，這樣就可以發(fā)電，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期得到取之不盡用之不竭的能源。由于這種能源的產(chǎn)生方式類(lèi)似于太陽(yáng)，因此俗稱(chēng)人造太陽(yáng)或人造小太陽(yáng)。

但太陽(yáng)核心能夠源源不斷地持續(xù)發(fā)生氫核聚變，是因?yàn)樘?yáng)質(zhì)量巨大，導(dǎo)致的向心巨大收縮壓力下形成的，這個(gè)壓力達(dá)到3000億個(gè)大氣壓。地球上無(wú)法人造出這種壓力，就需要比太陽(yáng)核心1500萬(wàn)度更高的溫度，這個(gè)溫度需要1億度以上。

這樣問(wèn)題就來(lái)了，如何讓等離子體加熱到1億度呢？而且地球上最耐熱的金屬才幾千度就融化了，用什么容器將核聚變幾萬(wàn)個(gè)幾千度的等離子體“裝住”呢？又如何讓這高溫的等離子體發(fā)出電來(lái)呢？這就成可控核聚變需要解決的幾大難題。

科學(xué)家們弄了幾十年，如今終于有點(diǎn)眉目了。解決把核聚變高溫等離子體“裝住”的方法有三個(gè)，即磁約束、慣性約束、重力約束，這幾種方法都是非物質(zhì)約束方法，就是不讓高溫等離子體碰到容器內(nèi)壁。

重力約束就是太陽(yáng)這種方法，地球上做不到，人們就只能從磁約束和慣性約束來(lái)想辦法了。前蘇聯(lián)科學(xué)家早在上世紀(jì)50年代就發(fā)明了一種叫托卡馬克的裝置，這種裝置是通過(guò)線圈在內(nèi)部產(chǎn)生磁阱，將高溫等離子體約束在磁阱里。

世界上磁約束可控核聚變開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀/

采用托卡馬克裝置研發(fā)可控核聚變技術(shù)，是經(jīng)典的磁約束方法，處于世界主流地位。中國(guó)自主研制出非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)EAST，目前處于世界領(lǐng)先地位。在試驗(yàn)中，已經(jīng)取得幾項(xiàng)世界領(lǐng)先成就，如7000萬(wàn)度長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體維持運(yùn)行1056秒，等離溫度1.2億度運(yùn)行時(shí)間達(dá)到101秒，實(shí)現(xiàn)了1兆安等離子體單溜等。

許多國(guó)家，如美、英、日等國(guó)的可控核聚變也都取得了進(jìn)展，都可以產(chǎn)生能量了，但都維持時(shí)間太短，而且即便發(fā)了點(diǎn)，輸出能量還不足。下一步需要解決的主要問(wèn)題就是，讓核聚變的等離子體能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定持續(xù)燃燒，并且輸出的能量要大大高于輸入的能量，符號(hào)表示就是達(dá)到Q=1以上。

這些問(wèn)題說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但做起來(lái)談何容易。因此，世界各路專(zhuān)家大體一致認(rèn)為，要真正讓可控核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)用，至少還需要30年左右甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

中國(guó)也做出了自己的規(guī)劃，在2025年實(shí)現(xiàn)Q=5，并逐步達(dá)到Q=10；2030年實(shí)現(xiàn)示范工程發(fā)電，在Q=5條件下實(shí)現(xiàn)200MW發(fā)電，初步達(dá)到Q=10穩(wěn)態(tài)發(fā)電1GW。

從這個(gè)計(jì)劃安排來(lái)看，如果能夠順利實(shí)現(xiàn)，最早也要到2030年才能在試運(yùn)行中點(diǎn)亮第一盞燈，真正形成商業(yè)發(fā)電還要到2050年。

慣性約束可控核聚變開(kāi)發(fā)情況/

所謂慣性約束，就是利用粒子的慣性作用來(lái)約束粒子本身，從而實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的一種方法。比較經(jīng)典的方法是采用高能激光或帶電粒子束照射極小的靶丸，導(dǎo)致靶面物質(zhì)迅速消融并向外猛烈噴射，而噴射的反作用力形成向內(nèi)傳播的沖擊波，形成極大的壓力將靶丸內(nèi)的氫同位素氘和氚發(fā)生聚變。

這種技術(shù)也是早在上世紀(jì)六十年代就提出了，前蘇聯(lián)和美國(guó)都進(jìn)行了大量試驗(yàn)，我國(guó)自2000年以來(lái)，也開(kāi)始了這項(xiàng)試驗(yàn)，但至今這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有取得重大突破，都還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。

今年五月，有報(bào)道稱(chēng)英國(guó)一家叫First Light Fusion的公司另辟蹊徑，通過(guò)高速?gòu)椛浼夹g(shù)來(lái)引發(fā)核聚變。具體是通過(guò)兩支大型超級(jí)空氣加速槍?zhuān)瑢⑷剂霞铀俚?0~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小塊，形成崩潰沖擊波，瞬間壓力達(dá)到10億個(gè)大氣壓，導(dǎo)致燃料快以足夠高的速度自爆，從而實(shí)現(xiàn)核融合反應(yīng)。

核聚變的高溫會(huì)將水加熱產(chǎn)生蒸氣，通過(guò)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為電能，這樣就實(shí)現(xiàn)了可控核聚變發(fā)電。

研發(fā)出這種裝置是受到海洋槍蝦的啟發(fā)。槍蝦又叫鼓蝦，身長(zhǎng)約5厘米，生活在熱帶海洋的淺水區(qū)。這種蝦有一種“黑科技”武器，攻擊獵物時(shí)會(huì)瞬間噴射出一股時(shí)速高達(dá)100公里的水流，形成一個(gè)極小的低壓氣泡，這個(gè)氣泡從產(chǎn)生到破裂只需10億分之一秒，爆破時(shí)瞬間溫度達(dá)到4700度，被這氣泡沖擊波擊中的獵物很難逃過(guò)一劫。

由此，F(xiàn)irst Light Fusio公司開(kāi)發(fā)的高速“氣槍”就以“槍蝦”命名。據(jù)稱(chēng)這種“槍蝦”核聚變方式，距離發(fā)電理想大大前進(jìn)了一步，且相比采用昂貴的高能激光發(fā)射器，成本低多了。目前該公司計(jì)劃采用這種技術(shù)，在2030年開(kāi)辦一個(gè)實(shí)驗(yàn)工廠來(lái)生產(chǎn)電力。

這完全稱(chēng)得上是一匹黑馬，是慣性約束可控核聚變開(kāi)發(fā)方面的一支奇葩，是真正的創(chuàng)新和彎道超車(chē)，目前很被看好。

Zap Engergy公司的可控核聚變技術(shù)依然是磁約束技術(shù)/

根據(jù)報(bào)道，這家位于西雅圖的初創(chuàng)公司開(kāi)發(fā)了一套叫Z-pinch的系統(tǒng)，這套裝置采用的是一條與托卡馬克裝置完全不同的路線，摒棄了托馬斯克裝置中大量昂貴的磁鐵、磁線圈、屏蔽材料，以及為了保護(hù)它們需要的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，只是利用等離子體本身的磁場(chǎng)，將自己約束在一個(gè)相對(duì)較短的柱子里。

報(bào)道采用了一個(gè)形象的比喻：將等離子體“釘在”柱子里，并“夾住”它。等離子體本身就是帶電的，理論上當(dāng)然也可以形成磁場(chǎng)和磁阱。報(bào)道里只說(shuō)這種技術(shù)叫“剪切軸流技術(shù)”，沒(méi)有更多地披露技術(shù)細(xì)節(jié)。我們也沒(méi)有必要去深究它，這些是專(zhuān)業(yè)人員的事情。

我們現(xiàn)在知道的是，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功了，并且在500千安培電流下進(jìn)行了演示。Zap Engergy的首席技術(shù)官表示，這套裝置叫FuZE-Q，是第四代Z-pinch設(shè)備，下一代將設(shè)計(jì)為可容納650千安培的電流，實(shí)現(xiàn)收支平衡點(diǎn)，即Q=1。

目前Zap Energy團(tuán)隊(duì)拿到了1.6億美元的C輪融資，雄心勃勃的宣稱(chēng)，下一步將盡快將這項(xiàng)核聚變技術(shù)推向市場(chǎng)。他們?cè)O(shè)想通過(guò)大規(guī)模制造反應(yīng)堆來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這些反應(yīng)堆將實(shí)現(xiàn)模塊化，小到可以放在車(chē)庫(kù)里。

這樣，這些模塊就既可以部署在偏遠(yuǎn)社區(qū)提供電力，也可以組合起來(lái)形成大規(guī)模集合體，提供整個(gè)城市電力。這種裝置不像經(jīng)典的托卡馬克裝置和慣性約束那樣，需要昂貴的材料，成本大大下降，更容易被社會(huì)接受和普及。

那么，這幾種從經(jīng)典可控核聚變技術(shù)中脫穎而出的新技術(shù)，會(huì)不會(huì)對(duì)各國(guó)的經(jīng)典常規(guī)技術(shù)造成打擊和沖擊呢？目前很難判斷。但我覺(jué)得，F(xiàn)irst Light Fusio和Zap Engergy這兩家初創(chuàng)公司的技術(shù)的確很令人震撼和大開(kāi)眼界。

當(dāng)實(shí)力雄厚的世界級(jí)大公司和國(guó)家扶持的頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)，幾十年如一日孜孜不倦地沉浸于經(jīng)典技術(shù)中，一點(diǎn)一點(diǎn)往前挪動(dòng)時(shí)，這幾個(gè)小公司卻獨(dú)辟蹊徑原創(chuàng)性地開(kāi)辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又縮短了預(yù)期，這似乎才是真正地彎道超車(chē)，無(wú)招勝有招啊。

當(dāng)然，華山論劍，誰(shuí)主沉浮，還未有定數(shù)；是騾子是馬，還得拉出來(lái)溜溜；誰(shuí)能點(diǎn)亮世界上可控核聚變商業(yè)運(yùn)用的第一盞燈，才是王者。會(huì)是我們嗎？希望是，但還須拭目以待。

今天就說(shuō)這些，歡迎討論，感謝閱讀。

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