前两天，《Nature》杂志评选出了2023年度十大科学人物，其中有一位叫做Annie Kritcher，她入选的原因是据说她实现了可控核聚变的点火。


当然如果可控核聚变点火真的实现了，那实现它的人，我们怎么去褒奖都不为过。但是Annie的所谓点火，不得不说非常尴尬，今天我们就来讲讲这个事儿。


可控核聚变想必大家都听说过，这个科幻小说中的常客能在几乎没有污染的情况下产生取之不尽用之不竭的能量，被誉为清洁能源领域的“圣杯”，也是人类的终极梦想之一。


Annie Kritcher所供职的NIF是美国能源部旗下的国家点火中心，从去年年底到今天，他们一共成功实现了4次成功“点火”：


2022年12月，输入能量2.05MJ，产生能量3.15MJ；2023年，7月30日，输入能量2.05MJ，产生能量3.88MJ；10月8日，输入能量1.9MJ，产生能量2.4MJ；10月30日，输入能量2.2MJ，产生能量3.4MJ。



这四次实验值得吹嘘的关键点在于，每次的产生能量都比输入能量大，最多的一次达到了1.89倍，也就是说，有“净能量增益”。


今年上半年我们曾经去探访国内的一些做核聚变的企业，得出的结论是在极度乐观的预期下，可控核聚变可能会在10年后进入到发电阶段。那么这个Annie Kritcher的研究成果，是否会实现换道超车，把核聚变的商用时间进一步提前呢？


对此我得说，她的这条实验路线，别说产生能量达到输入能量的1.89倍、2倍，就算将来有一天能达到100倍，都实现不了可控核聚变的发电。


为什么这么说呢？


一


要知道这个问题的答案，我们要看看NIF做了什么。


首先，先简单说一下核聚变。


核聚变，简单说就是两个原子核聚合成一个核。这一反应释放出的能量比核裂变反应更大。



有多大呢？


以最容易实现的氘氚聚变，也就是氢带一个中子的同位素和氢带两个中子的同位素的聚变反应为例，氘原子的质量为3.345*10-27千克，氚原子的质量是5.01*10-27千克，氦-4为6.649*10-27千克，中子为1.675*10-27千克，反应后质量少了0.031*1027千克，反应质量亏损在0.37%左右，亏损的质量以能量的形式释放。


人类整体的发电功率大概是1012瓦，根据爱因斯坦质能方程换算到质量的话，等于每秒消耗0.01克物质，对应氘氚聚变反应原材料就是整个人类每秒需要消耗2.7克，一天是230公斤，一年是84吨。（当然这里忽略了后续烧水发电的损耗）


也就是说，要维持全人类一年的发电量，仅仅需要一辆百吨大卡车就能装载全部的核聚变原料，就是这么离谱。


而且，这种发电方式既不排放二氧化碳，也没有放射性的。


不过，要让核聚变发生可一点也不容易，原子核都带正电荷之间存在静电斥力，彼此越靠近静电斥力就越大。


为此，就需要人为地制造相应的条件，使得当两个原子核靠得足够近，近到原子核内部的强相互作用力大于静电斥力，从而聚合在一起。


为了创造这样的条件，就需要将原子核加速到相当高的速度。而微观粒子的高速，在宏观上就表现为温度。以最容易实现的氘氚聚变为例，它在常压下的反应温度大约是1.5亿摄氏度，太阳核心温度的十倍。


大家可以想象，一方面，1.5亿的高温没有任何已知的材料能够承受，于是如何约束核聚变的反应原材料成了一个棘手的问题；另一方面，创造这么高的温度势必需要消耗很多能量，搞半天放出的能量如果还没输入的能量多那就没有意义了。这也是为什么，在探讨核聚变发电时，我们必须要关注“能量增益”。


目前，人类实现核聚变有两个流派：一个是以托卡马克为代表的磁约束聚变，换言之，就是通过磁力来创造核聚变反应的条件，我今年去参观的公司就是这个流派的。另一个就是今天我们重点要聊的，以NIF为代表的惯性约束聚变。


惯性约束是什么意思呢？一个球在地面滚动，虽然受到向后的摩擦力，但却依旧向前滚动，需要一定的时间才会停下来，这就是惯性。


对应到核聚变中，就是原子核加速靠近另一个原子核，虽然受到静电斥力，但却依旧因惯性而靠近，如果在足够短的时间内靠到了足够近的距离，那就来不及弹开了，核聚变就会发生。


NIF用激光实现了这个惯性约束核聚变的过程，具体是这样的：


NIF将聚变材料设计成一个小小的靶丸，靶丸经过激光照射后，会在表面形成一个等离子烧蚀层，这个等离子烧蚀层经过加热后爆炸，形成向内的冲击波，使得靶丸中心形成高温高压的环境。



这一过程正是利用了向内的冲击波加速靶丸中心的原子核，利用其惯性，使其相互靠近至强相互作用力大于静电斥力的位置，完成聚变。


不过，NIF有192束激光，而靶丸却很小，直径只有2-3mm，对应到我们常见的物体的话相当于一颗胡椒，所以直接操纵192束激光向其照射无异于大炮打蚊子，很难保证靶丸被均匀加热。而一旦加热不均匀，就会导致靶丸材料受力不均匀，从而过快地散掉，中心就无法达到核聚变反应的条件。



所以，NIF设计了一个黄金制作的空腔，他们把靶丸放空腔里，然后用激光照射空腔，空腔被加热后发出X射线，这些X射线就能均匀地加热靶丸，于是，核聚变就成功点火了。



二


在了解了NIF实现核聚变的技术后，就可以好好说一下，为什么我说他们离真正被用来发电还有极其遥远的距离。


他们去年到今年做的四次点火实验，正如刚才所说，所谓的能量增益达到了1.26到1.89不等，也就是说，至少有百分之二十多的多余的能量可以拿出来发电。


是这样吗？


我们需要仔细看一下NIF的宣传当中没有提到的，它的实际能量转换效率。


首先，我们需要给激光器蓄能，把电能转化为激光能量。NIF使用了一系列激光器来把激光放大、滤波、调频，这一过程的能量转换效率，在90年代不到1%，据说有些现代激光器能达到20%。


其次，在激光照射到空腔后，激光能量一部分转化为X射线能量，另一部分转化为热量。这一过程只有10-20%的能量传递给了靶丸。



叠上这两层Debuff之后，再加上激光在传播过程中的损耗，真正照射到靶丸上的能量，已经变成了初始电能的不到1%。


而NIF所说能量增益方程式当中的输入能量，是没有考虑这两层debuff的，这显然非常鸡贼。


那么，真正的输出输入能量比是多少呢？


这个概念在业内被称为Q值。由于NIF并未公开具体的研究成果，所以我们不好直接计算。但据项目内部的物理学家Tammy Ma所说，每发2MJ激光，至少要消耗掉300MJ的电力。


所以实际Q值约为0.0067，而不是他们宣传的1.89。


国际上通常认为，可控核聚变真正能开始商业发电，Q值至少要达到10，而在磁约束聚变，也就是托卡马克路线上，由欧洲联合环反应堆（JET）所保持的Q值记录是0.67.


现在，我想大家应该能明白NIF的这个研究，在核聚变发电的历史进程中到底是个什么地位了。


三


既然不能拿来发电，那NIF在那儿宣传个什么劲呢？


我觉得有两个原因：


其一，这本来就不是人家的主业。


在NIF自我介绍中，他有三大职能：国家安全、科学研究和能源任务。



其中的国家安全，是保持美国在核武器储备量上的威慑。科学研究，是通过制造出与恒星内部相似的环境，做基础科学研究。而能源任务则被排到了最后。


就实际成果而言，国家安全方面咱们不得而知，不过相信大家也能看出，惯性约束核聚变，非常像是一个超级小当量的氢弹，在国际社会禁止核武器实验的当下，它可以用来做核试验的替代。而就科学研究而言，NIF就曾参与了极紫外光刻技术的研发。没错，就是那个芯片制造里卡了脖子的技术，也就是说它在研究核聚变过程中开发出的技术，比如说激光技术，还是很有用的。


其二，钱。


现在世界各国做科研就像在做产品，不仅要产品本身好，还要会营销。营销好，才有科研资金，有科研资金，才能做出更好的成果。在这一逻辑闭环中，营销（吹牛逼）是不可或缺的一环。


“实现人类终极能源，可控核聚变”，这牛逼一吹出来，那种厚重感与使命感就上来了。营销噱头完爆核武器替代实验或者虚无缥缈的中间技术。


这不，自从四次点火，实现所谓“净能量增益”后，钱跟着就来了。12月12日，美国能源部宣布花4200万美元建了惯性聚变研究中心，同时Annie Kritcher所在的劳伦斯利弗莫尔国家实验室还拿到了1600万的联邦资助。


但说实话，我个人非常不喜欢Annie Kritcher吹的这个牛逼。


你想要拿经费这本身没有问题，但是你不应该尝试去占有“第一个实现可控核聚变点火”这一荣誉。因为它是改变人类历史的革命性发明，相当于普罗米修斯盗火，它应该属于真正实现它的人。


本文来自微信公众号：酷玩实验室（ID：coollabs），作者：酷玩实验室