美國激光核聚變：算多大事兒？
當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到，宇宙間的能量，無非就是粒子的分分合合，石油充其量只能算個(gè)四級(jí)經(jīng)銷商，那么莫不如直接從粒子那里搞批發(fā)，自己擰原子核，于是就出現(xiàn)了“可控核聚變”的概念。可以這么理解，聚變發(fā)電=無限的電。電真是個(gè)好東西，這個(gè)世界上還有什么事情是廉價(jià)的電解決不了的嗎？如果有，那就用免費(fèi)的電！電一旦不要錢，它的用途會(huì)比你想象中多得多。比如環(huán)保問題將不復(fù)存在，無論是白色塑料，還是廢水廢氣，直接加熱到1萬度，讓所有化學(xué)鍵灰飛煙滅，把所有原子打回離子狀態(tài)，再拾掇拾掇就成了純單質(zhì)，又成了工業(yè)原料。再比如水資源問題，把海水蒸餾淡化，通過綿延幾千千米的水泵和水管，能送到地球上任何地方，在沙漠養(yǎng)魚都不費(fèi)事。還比如溫室效應(yīng)，有研究說，二氧化碳含量是調(diào)節(jié)地球溫度的關(guān)鍵，如果你嫌地球太熱了，就把空氣中的二氧化碳大量合成有機(jī)物，中國科學(xué)家已經(jīng)成功用二氧化碳合成了淀粉、葡萄糖、脂肪酸等等；反之，就多釋放一些二氧化碳，根據(jù)這個(gè)原理，人類可以建造一臺(tái)行星級(jí)別的大空調(diào)，隨意調(diào)節(jié)地球溫度。如果電力足夠，來看組公式：元素=設(shè)備+電力；設(shè)備=材料+設(shè)備+電力；材料=元素+設(shè)備+電力；制造業(yè)=材料+設(shè)備+電力；不考慮物理空間和人工成本，制造任何東西，僅僅只需消耗——電力。剛剛說什么來著，用電不要錢？總之，可控核聚變的前景棒棒的，所以這條路上的任何進(jìn)展都不算小事兒，但咱非要從中挑幾件事兒當(dāng)路標(biāo)，那么美國這次激光打靶算得上嗎？兩條路原子核帶正電，2個(gè)原子核越靠近排斥力越大，但你又沒法捏著原子核把它們擰成一團(tuán)，所以通常就是讓它們高速相撞，只要速度足夠快，就可以抵消這個(gè)排斥力，擰成一個(gè)核。這原理夠簡單吧！溫度是什么？溫度的本質(zhì)就是粒子的運(yùn)動(dòng)速度，為了讓原子核擁有足夠的速度相撞，就需要足夠的溫度，所以擰原子核都很燙！這原理也不難吧？如果只有2個(gè)原子核，就是速度再快也撞不到一起，因此單位體積內(nèi)的原子核越多越好。實(shí)在密度不足的，就多維持一段時(shí)間，時(shí)間長了，總有不長眼的原子核會(huì)撞到一起。原子核密度體現(xiàn)在宏觀參數(shù)上就是壓強(qiáng)，密度越大壓強(qiáng)就越大。這原理也能明白吧？溫度、密度以及維持的時(shí)間，這三者必須滿足特定的條件，這叫“勞遜判據(jù)”。滿足勞遜判據(jù)，聚變產(chǎn)生的能量就能維持聚變自身擰原子核消耗的能量，聚變才會(huì)持續(xù)下去，這個(gè)俗稱聚變點(diǎn)火。人類目前可用的有4種聚變反應(yīng)：
其中最容易實(shí)現(xiàn)的就是氘氚（D-T）反應(yīng)，你只要把一堆氘氚放一起，狠狠加熱或者狠狠加壓，就能把氘氚原子擰成氦原子，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。原理有了，咱再定個(gè)衡量指標(biāo)，把“輸出能量/輸入能量”的比值叫做“Q值”，Q大于1就意味著“輸出大于輸入”。算上成本，燒鍋爐的汽輪機(jī)“熱電效率”在40%-70%，胡亂再算一些損耗，暫且認(rèn)為Q=2.5是成本價(jià)。商業(yè)應(yīng)用都比較黑，一般認(rèn)為要Q>30才值得推廣。劃分一下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：Q>0，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，原理性突破標(biāo)志。Q>1.0，輸出能量大于輸入能量，“盈虧平衡”突破標(biāo)志。Q>2.5，輸出能量轉(zhuǎn)化為電能后仍大于輸入能量，“實(shí)用化”突破標(biāo)志。Q>30，輸出能量轉(zhuǎn)化為電能后可實(shí)現(xiàn)盈利，“商業(yè)化”突破標(biāo)志。到了這里，哥們兒，恭喜你，聚變成功啦！原理有了，目標(biāo)也有了，那么接下來事情該怎么辦呢？有兩條路。慣性約束用N束激光從四面八方圍著一個(gè)芝麻大小的氘氚球打，瞬間將原子核擠成高溫高壓，達(dá)到聚變條件，俗稱“激光打靶”，學(xué)名“慣性約束”。打完之后，換上另一粒芝麻，繼續(xù)打。美國國家點(diǎn)火裝置（NIF），可在一瞬間將上兆焦耳的能量通過192束激光打在一粒芝麻上，當(dāng)之無愧的全球最強(qiáng)激光打靶裝置，自2010年正式點(diǎn)火后，一路連刷紀(jì)錄。2022年12月5日，在激光向目標(biāo)輸送2.05 兆焦耳的能量后，聚變反應(yīng)產(chǎn)生了3.15 兆焦耳的能量輸出，短暫地實(shí)現(xiàn)了聚變點(diǎn)火。但問題是，這樣一陣一陣，怎么做到持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電呢？先別管發(fā)電的事了，有沒有覺得這粒芝麻像一個(gè)迷你氫彈？如果激光打靶真打利索了，以后氫彈就不用原子彈引爆了，純聚變彈水到渠成。即便打不利索，研究一下核爆過程，也更有利于氫彈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這可真是個(gè)傷心的故事，說好從良的，走著走著又走回打家劫舍的老路了。
從應(yīng)用上說，激光核聚變很難走到最后的發(fā)電階段，激光器本身是一種能量利用率很低的裝置，美國人雖然用2.05M的輸入能量產(chǎn)生了3.15M的輸出能量，但為了產(chǎn)生這2.05M的激光能量，卻消耗了300M的電能，這本帳虧到姥姥家了。正因?yàn)槿绱?，很多人指?zé)美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）就是個(gè)騙經(jīng)費(fèi)的玩意兒。其實(shí)話不能這么說，自從五大流氓一起簽署了《全面禁止核試驗(yàn)條約》，誰也沒臉光明正大搞核爆試驗(yàn)，從這個(gè)角度講，激光打靶還是一個(gè)不錯(cuò)的補(bǔ)充，畢竟煮茶葉蛋的手藝是永無止境的，總有改善的余地。除了前面狂奔的美國，后面的法國兆焦耳（LMJ）、中國“神光”系列、日本GEKKO XII也都沒閑著，只是新聞上得少，畢竟和氫彈沾著邊，不方便大張旗鼓。因?yàn)榧す獯虬惺冀K逃不掉氫彈的影子，所以即便把Q值刷到1以上，其意義也沒那么驚世駭俗。道理很簡單，如果把引爆氫彈的能量看作輸入能量，氫彈爆炸的能量看作輸出能量，那么氫彈的Q值早就刷到天上去了。想要讓核聚變淪為開水工發(fā)電，還得指望第二條路。
磁約束
到了一億攝氏度，原子核和電子早被打散了，成了“等離子體”，沒了電子的氫核帶正電，正好可以被磁場約束，然后用強(qiáng)大的磁場把原子核擰到一起，所以研究聚變的單位經(jīng)常叫“某某等離子體研究所”。磁約束根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也分好幾種。托卡馬克
托卡馬克是俄語，可見當(dāng)年蘇聯(lián)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，是從0到1的先驅(qū)者。托卡馬克的磁約束特征：縱向線圈和極向線圈非常分明，縱向磁場完全由外部的線圈提供，極向磁場由線圈和等離子體電流產(chǎn)生，兩個(gè)磁場共同約束等離子體。等離子體有電阻，可以利用“歐姆效應(yīng)”加熱，也就是用感應(yīng)電流給等離子體通電，而且通電后的等離子體相當(dāng)于一個(gè)線圈，還會(huì)產(chǎn)生磁場。不過溫度升高后歐姆加熱效率降低，后期還要輔助加熱手段，比如射頻波共振加熱、中性束注入加熱等等。這就是托卡馬克的大概原理：利用線圈和等離子體電流產(chǎn)生磁場，利用磁場約束氘氚，利用感應(yīng)電流和其他手段狠狠加熱。原理看起來還挺靠譜的，那么Q值刷得怎么樣了？首先上路的是蘇聯(lián)，托卡馬克和他們的坦克取一個(gè)名，T字頭。1958年上T-1，掛了；1960年上T-2，也掛了；1964年上T-3，幾經(jīng)升級(jí)終于在1968年有了能量輸出，人類第一次刷到了Q值，雖然只有十億分之一，但至少證明路子是可行的。一時(shí)間托卡馬克風(fēng)光無限，T-7、T-10、T-12、T-15一一上馬，歐美日等國紛紛跟進(jìn)，中國也咬著牙跟上了。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，大家覺得路子摸得差不多，該動(dòng)真格了，于是，建造了一堆大型托卡馬克，準(zhǔn)備上真正的氘氚反應(yīng)。1991年，歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）實(shí)現(xiàn)了史上第一次氘氚（D-T）反應(yīng)，持續(xù)了2秒，Q值0.12。1993年，美國的托卡馬克聚變測試反應(yīng)堆（TFTR）把Q值刷到了0.28。1997年，歐洲聯(lián)合環(huán)又刷出了0.67的歷史新高度。隨后，日本的JT-60成功進(jìn)行了氘氘（D-D）反應(yīng)，換算回氘氚（D-T）反應(yīng)的Q值相當(dāng)于1.25，但是換算的價(jià)值打成了骨折，Q值基本不算數(shù)。最來勁的還是蘇聯(lián)，當(dāng)別人還在玩銅線的時(shí)候，蘇聯(lián)的T-7就用上了超導(dǎo)，因?yàn)榇艌鍪请娏鳟a(chǎn)生的，強(qiáng)大的磁場意味著強(qiáng)大的電流，強(qiáng)大的電流非超導(dǎo)莫屬。T-7沒折騰幾年，又開始建造更大的T-15，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)刷到爆，1988年完工。不過一看這時(shí)間點(diǎn)就知道T-15會(huì)面臨什么命運(yùn)了，蘇聯(lián)崩潰對(duì)蘇聯(lián)的聚變事業(yè)造成了毀滅性打擊，大量人才流失，項(xiàng)目停滯，很多聚變裝置都當(dāng)破銅爛鐵處理，白白浪費(fèi)了雄厚的科研積累。雖然T-15沒趕上90年代紅紅火火的刷Q值潮流，但憑借傲人的設(shè)計(jì)，依然和歐洲聯(lián)合環(huán)、美國TFTR、日本JT-60，并列為當(dāng)年的四大宗師。相比來說，中國就只能低調(diào)了，默默折騰自己的小裝備，環(huán)流器一號(hào)（HL-1）和CT-6，主要成果就是，培養(yǎng)人才。江湖上除了大宗師，還有不少八九段的高手。法國的Tore-supra是世界上第一個(gè)真正實(shí)現(xiàn)高參數(shù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的裝置，放電時(shí)間長達(dá)120秒。這里所謂的“放電”不是發(fā)電的意思，僅僅指把氘電離成等離子體，只是聚變反應(yīng)的第一步，但依然非常了不起。要知道，三大宗師雖然刷到了Q值，但持續(xù)時(shí)間都只有幾秒鐘。還有德國的ASDEX-U、TEXTOR也實(shí)力不俗，刷出不少紀(jì)錄。很多工業(yè)強(qiáng)國都來湊過熱鬧，前前后后全球累計(jì)造了幾十個(gè)聚變堆。形勢看起來很不錯(cuò)啊！然后呢？然后，大家很快把錢刷完了，發(fā)現(xiàn)可控核聚變?cè)谖迨陜?nèi)都榨不出油水，不愿繼續(xù)充值，陸續(xù)關(guān)閉了一批托卡馬克。之后二十年，別說Q值，連D-T反應(yīng)都嫌貴，不做了。Q值紀(jì)錄就停留在1997年的0.67。ITER
但事關(guān)人類未來1億年的大計(jì)，不能撂挑子?。∮谑?，美蘇歐日一合計(jì)，不如組團(tuán)吧，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）由此誕生。用腳趾頭想想就知道，這幾家要是能合伙順利辦事，太陽就要從四面八方出來了，不出意外地，吵成了一鍋粥。不過，面對(duì)天文數(shù)字般的預(yù)算，還是達(dá)成了一個(gè)共識(shí)：找人分擔(dān)。外加中國、韓國的積極爭取，兩國由此也加入了ITER計(jì)劃。這么偉大的項(xiàng)目，放哪里呢？日本主動(dòng)請(qǐng)纓，只要ITER落戶日本，出錢可以出大頭！客觀地說，日本條件確實(shí)不錯(cuò)，技術(shù)也相當(dāng)彪悍，美國、韓國表示支持。無奈法國人天生自帶幸運(yùn)光環(huán)，說道“我家氣候好，放我家吧”！歐盟自然是幫親不幫理，啥也別說了，這事必須在歐洲辦。法俄的關(guān)系，要不是烏克蘭問題，“西北風(fēng)級(jí)兩棲攻擊艦”購買合同早就執(zhí)行完成了，你說他倆能差嗎？中方態(tài)度就更不用說了，使勁給法國撐腰。最后，歐盟直接宣布：無論結(jié)果怎么樣，我們年底就直接在法國開建了。美日沒轍，最終ITER花落法國，歐盟出一半經(jīng)費(fèi)，同時(shí)給日本不少補(bǔ)償條件。不過，這么大一事，少了宇宙大國印度好像也不合適，于是，半年后印度拎著錢袋子興沖沖加入了ITER。各方于2006年簽字畫押，標(biāo)志著ITER計(jì)劃進(jìn)入全面實(shí)施的準(zhǔn)備階段。然后……我們就見識(shí)到了什么是真正的磨洋工。ITER貴為僅次于國際空間站的全球第二大科研合作項(xiàng)目，牛皮吹得相當(dāng)大：Q值超過10，輸出能量功率500兆瓦，達(dá)到實(shí)用化水平。但是，進(jìn)度十年十年往后延，眼看著牛皮就要吹破了。關(guān)鍵時(shí)刻，原先一個(gè)默默無聞的菜鳥，不聲不響躋身大宗師行列了，對(duì)眾人說道，“要不，讓我來試試？”這就是中國核聚變的故事。EAST
中國的家底我們都清楚，苦哈哈出身，70年代硬著頭皮上了第一臺(tái)托卡馬克CT-6，接著又上了環(huán)流器一號(hào)（HL-1），還有HT-6、HT-6B、HL1M、環(huán)流器二號(hào)（HL-2），都是練手的小號(hào)，只能排在人家后面。在歐美風(fēng)風(fēng)火火刷Q值的90年代，別說聚變了，就是彩電我們都造不了。后來人算不如天算，蘇聯(lián)突然崩了！中國有幸撿漏成功，把T-7捎走了，就是那臺(tái)超導(dǎo)托卡馬克，本著人道主義關(guān)懷，順便把幾個(gè)下崗專家也捎了回來。之后做了不少升級(jí)，改名HT-7（合肥超環(huán)）。圍著這臺(tái)二手爐子苦練二十年，終于神功大成，2006年，世界第一臺(tái)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak，EAST）橫空出世（別人都是部分線圈超導(dǎo)）。全超導(dǎo)，一看這出身，大家就不敢小瞧了。以往“世界聚變能大會(huì)”都是歐洲、美國、日本在臺(tái)上當(dāng)主角，我們坐后排流口水，EAST出來后，大會(huì)直接就搬到了中國召開。2006年，EAST開始全面刷紀(jì)錄，而且行事頗有章法，并不直接追求Q值，官方定義是：研究等離子體穩(wěn)態(tài)約束的可行性。也就是說，先讓等離子體長時(shí)間保持1億度以上，不著急進(jìn)行聚變反應(yīng)。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方面，EAST屢屢創(chuàng)下世界紀(jì)錄，1.2億度維持101秒，1.6億度維持20秒，7000萬度維持1056秒。憑這把成績，在地球上已經(jīng)找不到對(duì)手了。為了打敗合肥的EAST，規(guī)模更大、參數(shù)更高的中國環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）于2020年12月在成都建成并實(shí)現(xiàn)首次放電，這一手左右互搏的功夫，看得眾人是羨慕不已。不得不佩服中國“引進(jìn)、吸收、再消化”的能力，山寨也好創(chuàng)新也罷，事實(shí)就是，中國通過蘇聯(lián)的T-7，一下子就翻身農(nóng)奴把歌唱了！這個(gè)故事充分說明，人類團(tuán)結(jié)還是很有必要的。在托卡馬克硬件建設(shè)方面，中國同樣擔(dān)得起“基建狂魔”的稱號(hào)。ITER打算2025年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，很大一部分原因是中國承擔(dān)了大量核心關(guān)鍵部件的制造及安裝任務(wù)，包括校正場線圈、環(huán)向場線圈導(dǎo)體、極向場線圈導(dǎo)體、磁體饋線系統(tǒng)、包層第一壁、包層屏蔽模塊、診斷系統(tǒng)等等，有些任務(wù)是全包了，有些是做一部分。不吹牛地說，現(xiàn)在的ITER總裝工作，中國是中流砥柱。（悄悄說一句：這些都是收費(fèi)的。）當(dāng)然，光靠我們一家是不夠的，ITER有100多萬個(gè)部件，總重達(dá)2.3萬噸（EAST重400噸），全球35個(gè)主要工業(yè)國都沒閑著。二十多年沒開張的歐洲聯(lián)合環(huán)，于2021年12月再次進(jìn)行了一輪昂貴的氘氚（D-T）反應(yīng)，1.5億度的氘和氚保持了5秒鐘，聚變反應(yīng)釋放了59兆焦耳的能量，刷新了輸出能量的世界紀(jì)錄，為即將投入試運(yùn)行的ITER進(jìn)行鋪路實(shí)驗(yàn)；美國負(fù)責(zé)制造的磁鐵堪稱世界之最，可以把航母吸上天；日本提供了三四百噸的大型超導(dǎo)線圈，實(shí)力也不弱……ITER雖有諸多不順，但仍不失為全人類精誠合作的象征，點(diǎn)個(gè)贊吧。
仿星器
下面輪到磁約束的第二種類型：仿星器。無論EAST怎么刷紀(jì)錄，依然無法改變托卡馬克的缺點(diǎn)：太復(fù)雜。依靠外部線圈和等離子體電流產(chǎn)生的耦合磁場，一起約束等離子體，這樣的設(shè)計(jì)非常微妙，一旦出現(xiàn)擾動(dòng)，瞬間就會(huì)放大，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。其實(shí)一開始大家就覺得托卡馬克很棘手，所以蘇聯(lián)想出托卡馬克的時(shí)候，“仿星器”的設(shè)計(jì)也差不多時(shí)間提出來。仿星器的思路是：所有的磁場都是外部線圈提供，不用等離子體電流瞎摻和，所以只要保持線圈的穩(wěn)定，磁場就能穩(wěn)定，這樣當(dāng)然就提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。想法很好，可是聚變等離子體詭異的特性，使得磁場分布也很詭異，進(jìn)而導(dǎo)致線圈也設(shè)計(jì)得非常詭異。
仿星器原理示意圖（藍(lán)色是線圈，黃色是等離子體，綠色線是磁感線）早期計(jì)算機(jī)的模擬能力差，而且線圈加工難度也很大，詭異的線圈最終產(chǎn)生什么樣的磁場全靠緣分，所以仿星器一開始就不熱門。歐洲、美國、蘇聯(lián)、日本都玩過仿星器，后來蘇聯(lián)把托卡馬克玩出Q值后，仿星器失寵就更嚴(yán)重了，美國甚至還把仿星器直接改成了托卡馬克。中國最早也玩過仿星器，后來拿到蘇聯(lián)的T-7之后，直接打入冷宮。再后來，時(shí)來運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著托卡馬克陷入瓶頸，超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能跟火箭似的上躥，不就算一算磁場分布嘛，沒問題?。?/span>于是，當(dāng)年仿星器的大玩家德國又重操舊業(yè)了，世界上最大的仿星器文德爾施泰因（Wendelstein）7-X于2015年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，日本、美國、澳大利亞、西班牙也都在這條路上蹚，但都沒有大手筆。不管仿星器能不能刷Q值，人類的聚變事業(yè)多一項(xiàng)選擇總歸不是壞事。反場箍縮磁約束還有第三條路：反場箍縮。大致原理是：縱向磁場由外部線圈產(chǎn)生，極向磁場則完全由等離子體電流產(chǎn)生。這樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單，個(gè)頭小了很多，省錢。不過，目前來看這路子也好不到哪里去，美國練了快20年反場箍縮，約束時(shí)間還停留在毫秒級(jí)（托卡馬克已經(jīng)幾百秒了），中國的“科大一環(huán)”、意大利的RFX、日本的TPE-RX、瑞典的EXTRAP-T2R也全都在萌芽狀態(tài)。苦練神功二十年，連“拳打北方幼兒園，腳踢南方敬老院”都做不到，大家又是一片哀號(hào)之聲。托卡馬克、仿星器、反場箍縮，除了這三條路之外，其實(shí)還有很多辦法可以約束等離子體，但因?yàn)閷?shí)用性過于寒磣，連名字都不想提了。還需五十年蘇聯(lián)物理學(xué)家列夫·阿爾齊莫維奇（Lev Artsimovich）說過一句至理名言：“當(dāng)整個(gè)社會(huì)都需要的時(shí)候，聚變就會(huì)實(shí)現(xiàn)?！笨煽睾司圩冸m然困難重重，但不可否認(rèn)，我們也不算認(rèn)真對(duì)待，全球每年的化妝品研發(fā)費(fèi)用都超過了核聚變研發(fā)費(fèi)用，可見面子比里子重要。ITER計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，2035年開始氘氚反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，即便一切順利，ITER也只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)聚變堆，無法發(fā)電。想要發(fā)電還得重新建一個(gè)商業(yè)聚變堆，時(shí)間就不好說了，真是應(yīng)了那句玩笑：可控核聚變還需五十年。這節(jié)奏中國實(shí)在看不下去了，原本打算等ITER有了收獲再動(dòng)手，現(xiàn)在看來是不想等了。2017年，中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目（CFETR）正式啟動(dòng)，計(jì)劃2035年建成聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，2050年建成聚變商業(yè)示范堆，實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電！這下好歹算有個(gè)盼頭了，聚變虐我千百遍，我待聚變?nèi)绯鯌?，再等三十年，讓我們看看中國聚變堆最終能否修成正果！*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。
