按照惯例，我们先说结论：核聚变一定会改变世界，这是毫无疑问的。
无数事实证明，人类实现可持续发展的最大限制因素是能源。现有的能源形式中，化石能源是有限的，其储量在几十年到几个世纪内就会耗尽，更不用说温室气体排放引起的气候变化；可再生能源密度太低，需要大量能源。空间和发展潜力也有上限；虽然基于核裂变的核电站理论上可以承担这一重任，但核裂变原料（主要是铀）的储量也有限，而且核废料问题也很难解决。此外，民间反核势力一直非常强大，核电站的发展受到诸多人为限制，难以发挥其潜力。
相比之下，核聚变的原料（主要是氢、氘和氚两种同位素）几乎是无限的，生产过程可以实现几乎零排放，产生的核废料很少，而且更容易处理。 。这三个优点是任何现有能源形式都无法比拟的。如果核聚变能够商业化，人类的生活质量无疑会提升到我们无法想象的水平。
说完了理想，我们再来谈谈现实：我们核聚变商业化还需要多少年？半个多世纪前就有人对这个问题给出了肯定的答案：30年。不幸的是，这个答案在今天仍然适用。
当地时间2022年12月13日高中物理核聚变方程式，美国华盛顿特区，嘉宾们等待美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在华盛顿特区能源部总部举行的新闻发布会开始，宣布取得突破性进展在核聚变研究中。 （图 | 视觉中国）
那么，美国刚刚爆出的这个大新闻会改变核聚变的发展轨迹吗？我的回答是：几乎从来没有。因为这是一个预期结果，不会给核聚变研究带来任何理论上的帮助，也不会对现有的核聚变商业探索产生任何实质性影响。我什至认为，大张旗鼓地公布这个实验结果，主要目的就是给美国纳税人一个交代，让美国国会能够继续为这个项目拨款。
让我告诉你原因。我保证，这里的道理并不难理解贝语网校，一般的高中生都能明白。
核聚变简史
美国可以
核聚变的原理非常简单：两个原子核碰撞在一起并合并成一个更大的原子核。这个过程中部分质量会以能量的形式释放出来，其质能转换比就是爱因斯坦著名的方程E=MC²。由于光速（C）是一个非常大的数字，一点点的质量就可以转化为大量的能量，这就是核电站能量密度极高的原因。
核聚变是宇宙中最常见的反应，也是宇宙中大部分能量的来源。我们的太阳是一个不断发生聚变反应的大火球。一小部分能量以光的形式传输到大地，滋养着世间万物。
那么，核聚变应该很容易实现吧？错误的！由于原子核带正电，彼此之间存在电荷排斥，两个原子核聚集并聚合需要高密度和动能。用工程师的语言来说，这相当于将一组热原子压缩得很紧。然而，高温和高压是两种完全相反的物理性质，很难同时满足。此外，核聚变释放出大量能量，这使得原子团变得更热，因此更难以压缩。
1958年，中国第一座核反应堆（视觉中国供图）
另一个问题是如何控制核聚变。至少要把核聚变的原料放在容器里吧？然而，实现核聚变需要数亿度的高温和超高压。人类不可能建造出这样的容器。他们只能想办法将核聚变材料与容器壁分离。没有第二个选择。
太阳完美地解决了这两个问题：它悬浮在真空中，不需要容器。它巨大，其中心的温度和压力自然也很大，可以满足核聚变的所有条件。即便如此，太阳内部的核聚变强度还是很低。正因为它如此之大，释放出的能量就足够地球上的生命使用了。
《热核艺术》剧照
不幸的是，太阳提供的条件在地球上极难实现。这就是为什么尽管人类早在20世纪60年代初就已经将核裂变发电商业化，但核聚变发电站直到现在还很遥远。
我们可以简单地比较核裂变和核聚变：核裂变是由放射性元素（如铀235）自发开始的。裂变后释放的中子可以引发新一轮的核裂变，所以只要原料浓度达到一定程度，核裂变就可以自发持续，但人类需要利用各种技术手段来降低核裂变的速度。现在所有核电站的工程师都在苦思如何阻止核裂变。这个任务相对容易，只要将能够吸收中子的控制棒插入到原料堆中即可。事实上，世界各地的核电站运行了这么多年，只发生过三起重大事故，其中两起是人为因素造成的，另一起是自然原因造成的。因此，我坚信核电站的安全性相当高，其单位发电量相应的死亡人数远低于化石能源电站，与风电或太阳能发电相当。
1986年，切尔诺贝利核电站爆炸后，一名工人戴着防毒面具取样检测核辐射。
与核裂变相反，地球上的核聚变不能自发开始。原材料需要被加热和加压到令人难以置信的水平。因此，核聚变必须输入大量的能量才能维持。核聚变装置输出的能量与输入的能量之比称为“聚变能量增益系数”，通常用Q表示。只有当Q值大于1时，该装置才能用于发电，否则只能用于发电。用于科学研究。事实证明，在工程上要满足这一要求是极其困难的。该实验室此前实现的最高Q值是0.67，是由英国JET装置在1997年实现的。本次新闻中提到的LLNL实验室向核聚变装置输入2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的能量输出。其Q值达到1.5，首次超过1。理论上来说，它确实可以用来发电。
2015年9月12日，山东省海阳市海阳核电厂2号核岛穹顶吊装（供图）
写到这里，可能有读者会问，基于核聚变原理的氢弹不是早就爆炸了吗？是的，确实如此，但是氢弹是利用核裂变产生的高温高压来满足核聚变的条件。核弹专家将一颗小型原子弹放置在装有氘和氚的容器内，利用核裂变产生的巨大能量，瞬间将氘和氚压缩到了极致，其能量在不到一秒的时间里全部释放出来。出来了。这项技术并不难，任何能造出原子弹的国家都可以做到。但核聚变电站需要可控的核聚变反应，这是困难的。事实上，早期的核聚变研究人员并不清楚人类能否在地球上实现可控核聚变。如果不是普林斯顿大学物理学教授莱曼在滑雪时突然产生的想法，核聚变的商业化几乎是不可能完成的任务。
聚变研究的范式转变
斯皮策提出的方法解释起来有点复杂。简单来说，它利用磁场来限制聚变高温等离子体。等离子体（）是物质除液态、固态、气态之外的第四种形态。前三种形式在地球上最常见，但等离子体是宇宙中最常见的物质形式，占99%以上。顾名思义，这是一种完全由离子组成的物质形式。电子在高温下脱离原子核的束缚，成为自由流动的负离子，而原子核则因失去电子而成为自由流动的正离子。这两种离子混合在一起，整体保持电中性，这就是等离子体。根据电磁定律，运动的带电粒子在磁场的作用下会弯曲，而磁场可以用通电的线圈产生，因此斯皮策设想用线圈制造一个异形的磁笼，等离子体被抽出来的气体会在真空容器中做圆周运动，并在磁笼的约束下形成闭合回路，因此不需要接触容器壁。
1953年，斯皮策和他的同事在普林斯顿大学建造了世界上第一台“仿星器”（），证明等离子体确实可以被磁笼限制在真空管的中心。同年，本次新闻的主角LLNL在加州大学伯克利分校成立。他们发明了一种新的磁约束技术，可以让沿直线运动的等离子体在到达真空管一端后被反弹回来，就像光被反弹一样。镜子反射回同样的东西，这就是磁镜（ ）。
几乎与此同时，英国牛津大学的科学家建造了世界上第一台捏合机。本机利用等离子的特性，当电流通过时会自动收缩（收缩）。它利用放电压缩等离子体，将核聚变材料约束在电流线周围，防止其接触。容器壁。
就这样，英国和美国的核物理学家在短短三年内想出了至少三种利用磁场约束等离子体的方法，并通过实验证明都可以引发核聚变。虽然核聚变产生的能量远小于这三种装置本身消耗的能量，但核聚变技术的发展速度已经给了大家信心。 1955年8月，一群世界顶尖核物理学家在日内瓦召开了首届联合国和平利用原子能会议。会议主席印度裔霍米在会议上预言，可控核聚变将在20世纪出现。多年后成为现实。
《要有光》剧照
同年，英国物理学家约翰·劳森导出了著名的劳森判据（ ），并于1957年公开了这一结果。劳森判据是一组包含温度、密度和约束时间三个变量的公式。只要将核聚变装置的这三个数据代入公式中，就可以知道该装置是否能够实现正能量，即能量输出。大于输入。
劳森准则中的三个变量是乘积关系，这意味着核聚变装置的各项指标不必特别突出，只要三个指标不是太差即可，其中1到2个特别优秀即可。 。
核聚变的Q值与聚变原料的性质有很大关系。目前已知最容易获得正能量的聚变原料是氘和氚等比例的混合物。其他类型的核聚变必须满足的参数条件比氘和氚大得多。有很多高中物理核聚变方程式，所以第一个要建造的可控核聚变发电装置几乎肯定会是氘氚聚变。氘可以从海水中提取，其储量可供人类使用至少数百万年。氚在自然界中的储量非常少。目前基本上只能通过核裂变反应堆产生的高能中子轰击金属锂来获得。年生产能力只有20公斤左右。另外，氚是一种放射性元素，半衰期只有12年，给核聚变实验带来很大麻烦，目前还没有好的解决方案。
劳森准则的出现彻底改变了核聚变研究的范式。从此，大家只需要使用非放射性等离子体进行实验，就可以用劳森准则计算出如果用氘和氚代替会发生什么。结果。也就是说，核聚变研究从此成为一种工程研究。大家正在努力做的是如何降低等离子体的Q值，这与核聚变本身关系不大。
在接下来的10年里，英国和美国建造了多个基于仿星器、磁镜和箍缩技术的核聚变装置，但其性能均远低于预期。这时大家才意识到，人类根本无法控制等离子体。人们对物理性质知之甚少，无法预测这种极端物质形式的行为。例如，捏合机可以将等离子体压缩得非常致密，温度可以升到很高，但是等离子体的捏合非常不稳定，只能维持很短的时间，然后就会解体。相比之下，仿星器中等离子体的约束时间会更长，但对其加热和加压非常困难，也很难满足劳森准则的要求。因此，当时最先进的核聚变装置的Q值还不到1/10000，距离正能量太远了。
托卡马克装置的出现
正当所有人心灰意冷，几乎要放弃核聚变的时候，苏联传来了一条几乎令人难以置信的消息。人类有史以来建造的威力最强的“沙皇炸弹”（5000万吨TNT当量）的设计者安德烈·萨哈罗夫（ ）设计了一个“电磁线圈环形室”（带有线圈，即下面的磁约束装置（这种新装置相当于仿星器和捏机的混合体，它看起来有点像轮胎，包含多组线圈，一些线圈负责形成一个。强磁场从外部约束等离子体，而一些线圈则负责从内部箍缩等离子体。萨哈罗夫希望这种设计能够结合仿星器和箍缩机的优点，实现性能的飞跃。
这一事件再次证明创新不是凭空而来，而是旧事物的新结合。
第一个托卡马克原型机于1958年建成，但苏联科学家直到1965年才公布测试结果。西方科学家不相信苏联人的技术水平，也没有把这件事放在心上。 1968年，苏联科学家公布了第二批实验结果，但仍然未能给西方同行留下深刻印象。于是苏联政府邀请英美科学家来苏联进行亲身试验。结果证明，各项参数均优于西方国家同类设备一个数量级。现在所有人都没有理由不相信。
“沙皇炸弹”设计师安德烈·萨哈罗夫（视觉中国提供）
托卡马克装置的发明拯救了核聚变工业，因为设计相对简单，所需技术也没有那么复杂，投资也在可以承受的范围内。似乎很容易成功。于是，包括中国、韩国、印度在内的一大批原本远离核聚变发电的国家也参与了该项目，并拨款建造自己的托卡马克原型机，为即将到来的核聚变培养人才时代。在各方努力下，核聚变迎来了快速发展时期。从1969年到1999年，微电子行业Q值的增长速度甚至超过了摩尔定律。
回顾那个黄金时代，值得一提的是三台核聚变装置，分别是美国的TFTR、英国的JET和日本的JT-60。 TFTR 由普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 建造。它是世界上第一个尝试使用半氘和氚核聚变燃料发电的托卡马克装置。输出功率首次突破万千瓦大关。 。 JET就是前面提到的英国建造的托卡马克装置。 1997年，它使用等比例的氘和氚燃料创下了Q=0.67的世界纪录。也就是说，它用了24000千瓦的能量输入，换来了16000千瓦。能量输出。
最值得关注的是日本的JT-60。该装置比前两者具有更好的技术参数。曾创下5.22亿摄氏度离子温度的世界纪录。但由于日本对放射性物质的使用有很多限制，日本科学家只能使用氘进行实验，测得的Q值不高。但如果将实验结果换算成氘和氚，JT-60的Q值达到1.25，首次实现正能量。
2020年7月28日，在法国南部，技术人员正在制作磁场绕组。该设备用于国际热核实验反应堆（ITER）的托卡马克装置。
在任何领域，如果有科学家说，虽然我的装置实际上没有达到目标，但通过计算证明它达到了，大家肯定会嘲笑他的傲慢。但在这种情况下，日本科学家给出的数据是相当可信的，因为根据劳森准则，专家们已经可以相当准确地计算出实际情况的Q值。也就是说，在核聚变领域的专家心目中，核聚变的Q值已经超过了1。大家关心的不再是Q值是否超过1，而是Q值是否可以提高。 1.很多次。毕竟我们研究的目的是实现商业发电，必须考虑到各种能量损失，所以Q值越高越好。
于是，大家关注的焦点是如何大幅提升Q值，而托卡马克装置仍然被认为是最有可能实现这一目标的技术路径。
激光事件
看完这里，细心的读者一定会问，新闻中提到的核聚变装置是不是使用激光，而不是托卡马克？是的，这次将Q值提高到1以上的装置使用的是高能激光器，它是由苏联科学家尼古拉·巴索夫（Basov）和中国院士王淦昌在20世纪60年代初独立提出的。 。这种方法本质上是依靠聚变原料的惯性，因此也称为惯性约束法。虽然这种方法只能维持很短的约束时间，并且需要不断启动激光发生器，但由于激光束可以产生极高的温度和压力，理论上可以弥补约束时间的不足，从而满足劳森准则的要求。
问题是高能激光器属于军工行业，普通老百姓用不起。只有少数军事大国尝试过这条技术路线。事实证明，这种方法需要对激光束进行极其精确的控制，这在技术上太难实现，因此取得了进展。更慢一点。这则新闻的主角，LLNL，原本是一个军事单位。他们的主要业务是激光武器的研究，核聚变研究只是一个休闲的事情。 LLNL 耗资 40 亿美元的国家点火设施花了十多年时间才首次实现正能量。这次，他们将 192 束高能激光束指向一个豌豆大小的容器。激光产生的巨大能量最终在容器内引起了氘和氚的高效核聚变反应。
合肥EAST核聚变反应堆（视觉中国提供）
问题是这种方法涉及大量军事机密，别人很难模仿。该技术路线多为实验性，实用性很差。事实上，虽然实验的理论输入能量为2.05兆焦耳，但发射192束高能激光束所需的能量却高达322兆焦耳，远高于核聚变产生的能量。
也就是说，这个项目本质上是一个军事项目，与民用关系不大。 LLNL采用的技术路线并不适合发电，而该单位实验的最初目的是研制核武器，与发电无关。当然，作为全球第一个实现Q值大于1的实验室，这项研究的象征意义还是非常巨大的。至少给普罗大众普及了核聚变的知识，不然没有人会看我的文章。的。
核聚变商业化
当日本的JT-60达到理论Q值大于1时，核聚变专家们信心十足。他们坚信，核聚变发电在理论上是可行的，只要将托卡马克装置做得更大。因此，经过一番讨价还价，中国、印度、日本、韩国、美国、俄罗斯和欧盟七个成员国于2007年发表联合声明，决定在卡达拉切（）建造世界上最大的国际热核反应堆。法国南部。实验聚变反应堆（ITER）从工程角度探索建造商业核聚变电站的可行性。
2020年11月4日，一列满载核电站废料的列车停靠在德国比布利斯小镇（视觉中国供图）
经过计算，专家认为核聚变反应堆的Q值至少要大于5才具有商业价值。为了实现这一目标，我们必须找到增加等离子体体积和限制时间的方法。这就需要将托卡马克装置的真空室做得非常大。当然，配套电磁铁也必须做得更大。 。正在设计的 ITER 是一个高达 15 层楼的庞然大物。其核心是一座高30米、直径28米、重2.3万吨的圆柱形反应堆。温度高达1.5亿摄氏度的等离子体将在半径约6.2米的轮胎状真空室内做圆周运动。线圈表面约束其行为的磁场强度将达到14特斯拉，是冰箱磁铁的10000倍以上。如此强的磁场是由数个高达25米的电磁体产生的，整个装置使用的线圈总长度超过10万公里。这些线圈必须冷却至 4K（-269°C 的低温）才能实现超导。因此，ITER将成为宇宙中温差梯度最大的装置，其工程难度可想而知。
如此庞大的安装，任何一个国家都很难单独完成。团结合作是唯一选择。 ITER的想法最初源于1985年戈尔巴乔夫和里根的一次美苏峰会，双方一拍即合，法国和日本也迅速跟进，将其变成了四方合作项目。初步计算表明，ITER可能耗资100亿美元，这将吃掉四个国家的全部聚变预算。因此，一些科学家提出了反对意见，认为不应该把所有的宝藏都放在托卡马克装置上，应该留出一些资金来探索其他方法，比如仿星器和球形马克（）。其他科学家认为，ITER 项目耗时太长，可能在完成之前就已经过时了。
2021年9月17日，英联邦核聚变系统公司CEO站在超级电容器测试设备上（视觉中国提供）
因此，世界各地一些富有创新精神的科学家仍在探索，试图找到一种比ITER更经济的核聚变商业化方式。例如，麻省理工学院（MIT）的一组核物理学家设计了基于高温超导材料的核聚变电站ARC。体积不到ITER的十分之一，成本也只有ITER的百分之几。 ，但磁场强度可达20特斯拉。计算表明，在输出功率不变的情况下，磁场强度每增加一倍，等离子体的体积可减少16倍。 ARC的高磁场强度将大大减小核聚变装置的尺寸，从而降低成本，降低其自身成本。能源消耗。
这些另辟蹊径的科学家受到了资本市场的追捧。目前融资第一的是一家名为“ ”（CFS）的核聚变公司，由上述麻省理工学院的科学家小组在马萨诸塞州创立。 ）和比尔盖茨等人，总金额超过2亿美元。该公司希望在2025年建造一个基于ARC设计的原型SPARC，体积仅为ITER的1/65，Q值超过3。如果测试成功，他们计划建造一个百万千瓦ARC核聚变电站2030年实现并网发电。资本市场显然非常看好这家公司。 2021年9月，该公司建造了表面磁场强度为20特斯拉的高温超导环形磁场线圈原型。两个月后，该公司获得总计18亿美元的B轮融资，财务前景一片光明。
融资额第二大的私营聚变公司名为“ ”（ ），总部位于美国加利福尼亚州。这家公司使用的技术称为“场”（Field），可以认为是一种没有中间线圈的磁约束装置，与另一种有前途的球标装置非常相似。由于没有中间线圈，这两种磁约束装置的结构比托卡马克简单得多。如果成功，将大大降低核聚变电站的成本。截至2021年底，该公司已获得8.8亿美元融资，投资者包括谷歌、高盛和微软联合创始人保罗·艾伦，他们也是星光熠熠。
另一位明星投资人、前世界首富杰夫·贝佐斯看中了一家名为“ ”的加拿大公司，该公司发明了一种介于磁约束和惯性约束之间的方法。在新的聚变技术中，机械泵用于在磁约束中压缩等离子体。该公司已获得3亿美元融资，将于2022年开始在英国建造原型机，具体细节尚未公布。不过，该公司曾发表过一篇关于球形托卡马克的论文（ ）。不知道是暗示他们即将转型，还是参考了这次的新设计。
据统计，目前全球至少有20家私营公司正在探索核聚变发电的商业可行性。这个行业已经成为资本的新战场。除了气候变化给能源行业带来的红利外，很大原因是现有的国家投资主导的大型核聚变装置仍以科研为主，缺乏商业考虑。许多民间企业采取了完全不同的策略，即先以较低的成本建造原型机，然后一边进行实验一边进行修改，希望通过工程手段提高性能，争取尽快实现商业发电。
结论
乍一看，这些初创公司和国家实验室之间的关系有点像 NASA 和 之间的竞争。前者从政府拿钱，从事服务全人类的大型项目。后者是埃隆·马斯克创立的一家私人公司。它开发了可重复使用的发射车，其资金和比NASA少得多，而NASA大大降低了太空运输成本。它迎来了载人太空飞行的私人时代。今天的迭代几乎和NASA一样大，而CFS和TAE等公司一直遵循Musk的榜样。后者甚至偷猎了公司的许多人，试图复制马斯克的成功模型。
但是，如果您仔细比较它，则这种类比不是很合适，因为NASA等国家机构可以证明太空旅行是可行的，而使用商业公司独有的灵活性和自主权，这只是对现有航空航天技术的改进。 ，双方都可以从这种差异化的竞争中受益，结果确实对每个人都很满意。但是，可控制的核融合尚未成功，并且仍然有许多尚未解决的科学和技术问题。国家机构的重要性是不可替代的。
从这个意义上讲，LLNL的贡献不能被低估，它值得“里程碑成就”的声誉。对于诸如核融合之类的超严重新技术，我们必须全力以赴。州和私人公司应共同利用各自的优势分别探索。毕竟，这是一项可以改变世界的技术。我们越早实现目标，我们就会越早过上幸福的生活。
排版：菲菲/审稿：童童