可控核聚变重大突破 马斯克:挺酷、但没必要
  • 贾浩楠
  • 2022年12月17日 11:44
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新能源重大进展,突如其来:

人类首次在聚变反应中实现了净能量增益。

意思是说,可控核聚变装置中,输出的能量首次大于输入的能量。“人造太阳”朝商业化迈出第一步。

可控核聚变重大突破 马斯克:挺酷、但没必要

有多重要?

马斯克一生追求廉价、清洁能源,几乎穷尽一切手段:太阳能屋顶、锂电储能站、纯电动汽车、可回收火箭……

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他的一切所作所为,永远围绕一个主题:提升人类文明利用能源的规模和效率。

而学界、产业界的普遍共识认为,能源问题的终极答案就是可控核聚变。

一旦实现商业化,全人类会拥有廉价的、取之不尽的能源。

人造太阳重大进展

研究成果来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)。

直接上结果:

12月5日,LLNL一次新实验,输入的能量为2.05兆焦耳(MJ),在核聚变反应后的输出能量约为3.15兆焦耳。

能量增益高达约150%。

反应堆输出的3.15兆焦耳能量,大概够烧开20壶水。

看起来不多,但重要意义是维持可控核聚变反应的能量,第一次小于核聚变输出的能量。

正循环的基本条件具备了,今后继续降低可控核聚变的成本、提高效率的基础也有了。

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从人类认识核聚变,到今天这一步一共走了90年(1932年人类发现核聚变程序)。

为什么这么难?

核聚变,即轻原子核(例如氘和氚)结合成较重原子核(例如氦)时放出巨大能量的反应。

以氘氚聚变为例,一个自由质子的相对原子质量为1.007;一个自由中子的相对原子质量为1.0084;由“两个质子+两个中子”结合而成的氦负四原子,相对质量为4.0026。

而4.0026<2*(1.007+1.0084)=4.0308,等式中缺失的质量转化为了能量,满足的是质能守恒定律。

1公斤氘氚聚变相当于80544.9吨TNT当量,这个效率远远超过人类有史以来利用过的任何能源。

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但难点是,核聚变发生条件苛刻,需要极高压和高温,而一旦开始,又会瞬间释放能量,难以控制。

所以人类对核聚变的首先应用,是氢弹。

人造太阳要解决的难题,是采取合适的手段,使得核聚变过程受控。

具有一定可行性的可控核聚变装置之一叫托卡马克。中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。

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而反应开始后,托卡马克则利用磁约束来实现受控核聚变。

问题是——要维持托卡马克内的反应,需要不断输入能量,远大于装置内核聚变产生的能量。

而另一条技术路线,就是这次取得重大进展的激光核聚变。

人造太阳“正循环”,怎么实现的?

所谓激光核聚变,是用高功率激光作为驱动器,照射核燃料标靶的惯性约束核聚变。

基于激光的反应堆,可以让核聚变在很短的时间内发生,而且现在已经一定程度上跨过了净能量增益的门槛。

所谓“惯性”,简单来说,就是在极短时间内对聚变反应中形成的等离子体增温增压,利用内部原子核自身的惯性,让它们在向四周膨胀逸散之前就克服彼此之间静电斥力,完成融合。

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具体过程是:使用激光照射核燃料标靶,在光束加热作用下,颗粒等目标容器会向外爆炸。

在爆炸过程中,除了容器表层,其余部分会产生反作用力,使其向内加速并压缩里面的燃料。

另外,这个过程还会产生大量冲击波,压缩并加热中心的燃料,从而促使核聚变发生。

但如果想要将聚变反应堆应用于商业发电,就需要让激光器每秒加热目标至少10次。这并非根本不可能,但从工程角度来看,是非常困难的。

LLNL实现突破的方法,是利用美国的国家点火设施(National Ignition Facility,NIF)——世界最强大的激光点火装置,用多达192道的激光束,照射处于辐射平衡态的空腔(hohlraum),也就是包裹着氘和氚,针头大小的球状颗粒。

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通过激光作用,氘和氚的混合物形成了超热氢等离子体。

另外,在反应过程中,产生的X射线炸开了原来的粒子,燃料层内爆,为核聚变的发生创造了条件。

最终在NIF的加持下,这次实验产生了足够多的热量,并且这些热量在燃料中传播足够快,使得输出的能量超过了输入。

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△NIF,已耗资35亿美元

这次实验结果,其实也是一种“大力出奇迹”。

距离商用还有多远?

知乎用户@树树给出了这样的估算:

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100万美元成本,烧了20壶水(还不算35亿美元的设施成本),成本依然高得可怕。

但前景是乐观的。

马斯克怎么看

马斯克早就有看法:

可控核聚变重大突破 马斯克:挺酷、但没必要

挺酷、行得通,但没必要。

因为我们的头顶一直就有一个取之不尽用之不竭的核聚变反应堆——太阳。

所以马院士认为,最好的能源问题终极方案,是利用太阳能(风能本质也是太阳能的一种),而不是不计成本去搞人造太阳。

所以,马斯克投资了太阳能、锂电、新能源汽车、航天、城市交通、脑机接口…..唯独没投资核聚变。

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最后,回归到我们关注的新能源汽车。

无论马斯克看不看好,可控核聚变商业化落地,意义依然是巨大的。

要明确一下,可控核聚变商业化不太可能是安装在车辆本身的小型反应堆装置,技术上难度巨大,也不符合汽车本身消费品的属性。

真正的意义在于,可控核聚变使电能取之不尽用之不竭,成本极低,而且完全0碳0排放。用车成本几乎可以忽略不计。

人类要做的,只剩下建设合理的储能运能体系——比如马斯克正在搞的锂电池储能站。


文章出处:量子位

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