按照慣例，我們先說(shuō)結(jié)論：核聚變一定會(huì)改變世界，這是毫無(wú)疑問(wèn)的。
無(wú)數(shù)事實(shí)證明，人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最大限制因素是能源?，F(xiàn)有的能源形式中，化石能源是有限的，其儲(chǔ)量在幾十年到幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)就會(huì)耗盡，更不用說(shuō)溫室氣體排放引起的氣候變化；可再生能源密度太低，需要大量能源?？臻g和發(fā)展?jié)摿σ灿猩舷?；雖然基于核裂變的核電站理論上可以承擔(dān)這一重任，但核裂變?cè)希ㄖ饕氢櫍┑膬?chǔ)量也有限，而且核廢料問(wèn)題也很難解決。此外，民間反核勢(shì)力一直非常強(qiáng)大，核電站的發(fā)展受到諸多人為限制，難以發(fā)揮其潛力。
相比之下，核聚變的原料（主要是氫、氘和氚兩種同位素）幾乎是無(wú)限的，生產(chǎn)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)幾乎零排放，產(chǎn)生的核廢料很少，而且更容易處理。 。這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是任何現(xiàn)有能源形式都無(wú)法比擬的。如果核聚變能夠商業(yè)化，人類(lèi)的生活質(zhì)量無(wú)疑會(huì)提升到我們無(wú)法想象的水平。
說(shuō)完了理想，我們?cè)賮?lái)談?wù)劕F(xiàn)實(shí)：我們核聚變商業(yè)化還需要多少年？半個(gè)多世紀(jì)前就有人對(duì)這個(gè)問(wèn)題給出了肯定的答案：30年。不幸的是，這個(gè)答案在今天仍然適用。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年12月13日高中物理核聚變方程式，美國(guó)華盛頓特區(qū)，嘉賓們等待美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆在華盛頓特區(qū)能源部總部舉行的新聞發(fā)布會(huì)開(kāi)始，宣布取得突破性進(jìn)展在核聚變研究中。 （圖 | 視覺(jué)中國(guó)）
那么，美國(guó)剛剛爆出的這個(gè)大新聞會(huì)改變核聚變的發(fā)展軌跡嗎？我的回答是：幾乎從來(lái)沒(méi)有。因?yàn)檫@是一個(gè)預(yù)期結(jié)果，不會(huì)給核聚變研究帶來(lái)任何理論上的幫助，也不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的核聚變商業(yè)探索產(chǎn)生任何實(shí)質(zhì)性影響。我什至認(rèn)為，大張旗鼓地公布這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要目的就是給美國(guó)納稅人一個(gè)交代，讓美國(guó)國(guó)會(huì)能夠繼續(xù)為這個(gè)項(xiàng)目撥款。
讓我告訴你原因。我保證，這里的道理并不難理解貝語(yǔ)網(wǎng)校，一般的高中生都能明白。
核聚變簡(jiǎn)史
美國(guó)可以
核聚變的原理非常簡(jiǎn)單：兩個(gè)原子核碰撞在一起并合并成一個(gè)更大的原子核。這個(gè)過(guò)程中部分質(zhì)量會(huì)以能量的形式釋放出來(lái)，其質(zhì)能轉(zhuǎn)換比就是愛(ài)因斯坦著名的方程E=MC2。由于光速（C）是一個(gè)非常大的數(shù)字，一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量就可以轉(zhuǎn)化為大量的能量，這就是核電站能量密度極高的原因。
核聚變是宇宙中最常見(jiàn)的反應(yīng)，也是宇宙中大部分能量的來(lái)源。我們的太陽(yáng)是一個(gè)不斷發(fā)生聚變反應(yīng)的大火球。一小部分能量以光的形式傳輸?shù)酱蟮兀甜B(yǎng)著世間萬(wàn)物。
那么，核聚變應(yīng)該很容易實(shí)現(xiàn)吧？錯(cuò)誤的！由于原子核帶正電，彼此之間存在電荷排斥，兩個(gè)原子核聚集并聚合需要高密度和動(dòng)能。用工程師的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于將一組熱原子壓縮得很緊。然而，高溫和高壓是兩種完全相反的物理性質(zhì)，很難同時(shí)滿(mǎn)足。此外，核聚變釋放出大量能量，這使得原子團(tuán)變得更熱，因此更難以壓縮。
1958年，中國(guó)第一座核反應(yīng)堆（視覺(jué)中國(guó)供圖）
另一個(gè)問(wèn)題是如何控制核聚變。至少要把核聚變的原料放在容器里吧？然而，實(shí)現(xiàn)核聚變需要數(shù)億度的高溫和超高壓。人類(lèi)不可能建造出這樣的容器。他們只能想辦法將核聚變材料與容器壁分離。沒(méi)有第二個(gè)選擇。
太陽(yáng)完美地解決了這兩個(gè)問(wèn)題：它懸浮在真空中，不需要容器。它巨大，其中心的溫度和壓力自然也很大，可以滿(mǎn)足核聚變的所有條件。即便如此，太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變強(qiáng)度還是很低。正因?yàn)樗绱酥螅尫懦龅哪芰烤妥銐虻厍蛏系纳褂昧恕?span style="display:none">dDG物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
《熱核藝術(shù)》劇照
不幸的是，太陽(yáng)提供的條件在地球上極難實(shí)現(xiàn)。這就是為什么盡管人類(lèi)早在20世紀(jì)60年代初就已經(jīng)將核裂變發(fā)電商業(yè)化，但核聚變發(fā)電站直到現(xiàn)在還很遙遠(yuǎn)。
我們可以簡(jiǎn)單地比較核裂變和核聚變：核裂變是由放射性元素（如鈾235）自發(fā)開(kāi)始的。裂變后釋放的中子可以引發(fā)新一輪的核裂變，所以只要原料濃度達(dá)到一定程度，核裂變就可以自發(fā)持續(xù)，但人類(lèi)需要利用各種技術(shù)手段來(lái)降低核裂變的速度?，F(xiàn)在所有核電站的工程師都在苦思如何阻止核裂變。這個(gè)任務(wù)相對(duì)容易，只要將能夠吸收中子的控制棒插入到原料堆中即可。事實(shí)上，世界各地的核電站運(yùn)行了這么多年，只發(fā)生過(guò)三起重大事故，其中兩起是人為因素造成的，另一起是自然原因造成的。因此，我堅(jiān)信核電站的安全性相當(dāng)高，其單位發(fā)電量相應(yīng)的死亡人數(shù)遠(yuǎn)低于化石能源電站，與風(fēng)電或太陽(yáng)能發(fā)電相當(dāng)。
1986年，切爾諾貝利核電站爆炸后，一名工人戴著防毒面具取樣檢測(cè)核輻射。
與核裂變相反，地球上的核聚變不能自發(fā)開(kāi)始。原材料需要被加熱和加壓到令人難以置信的水平。因此，核聚變必須輸入大量的能量才能維持。核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量之比稱(chēng)為“聚變能量增益系數(shù)”，通常用Q表示。只有當(dāng)Q值大于1時(shí)，該裝置才能用于發(fā)電，否則只能用于發(fā)電。用于科學(xué)研究。事實(shí)證明，在工程上要滿(mǎn)足這一要求是極其困難的。該實(shí)驗(yàn)室此前實(shí)現(xiàn)的最高Q值是0.67，是由英國(guó)JET裝置在1997年實(shí)現(xiàn)的。本次新聞中提到的LLNL實(shí)驗(yàn)室向核聚變裝置輸入2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量輸出。其Q值達(dá)到1.5，首次超過(guò)1。理論上來(lái)說(shuō)，它確實(shí)可以用來(lái)發(fā)電。
2015年9月12日，山東省海陽(yáng)市海陽(yáng)核電廠2號(hào)核島穹頂?shù)跹b（供圖）
寫(xiě)到這里，可能有讀者會(huì)問(wèn)，基于核聚變?cè)淼臍鋸棽皇窃缇捅藛?？是的，確實(shí)如此，但是氫彈是利用核裂變產(chǎn)生的高溫高壓來(lái)滿(mǎn)足核聚變的條件。核彈專(zhuān)家將一顆小型原子彈放置在裝有氘和氚的容器內(nèi)，利用核裂變產(chǎn)生的巨大能量，瞬間將氘和氚壓縮到了極致，其能量在不到一秒的時(shí)間里全部釋放出來(lái)。出來(lái)了。這項(xiàng)技術(shù)并不難，任何能造出原子彈的國(guó)家都可以做到。但核聚變電站需要可控的核聚變反應(yīng)，這是困難的。事實(shí)上，早期的核聚變研究人員并不清楚人類(lèi)能否在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變。如果不是普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授萊曼在滑雪時(shí)突然產(chǎn)生的想法，核聚變的商業(yè)化幾乎是不可能完成的任務(wù)。
聚變研究的范式轉(zhuǎn)變
斯皮策提出的方法解釋起來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它利用磁場(chǎng)來(lái)限制聚變高溫等離子體。等離子體（）是物質(zhì)除液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)之外的第四種形態(tài)。前三種形式在地球上最常見(jiàn)，但等離子體是宇宙中最常見(jiàn)的物質(zhì)形式，占99%以上。顧名思義，這是一種完全由離子組成的物質(zhì)形式。電子在高溫下脫離原子核的束縛，成為自由流動(dòng)的負(fù)離子，而原子核則因失去電子而成為自由流動(dòng)的正離子。這兩種離子混合在一起，整體保持電中性，這就是等離子體。根據(jù)電磁定律，運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)的作用下會(huì)彎曲，而磁場(chǎng)可以用通電的線(xiàn)圈產(chǎn)生，因此斯皮策設(shè)想用線(xiàn)圈制造一個(gè)異形的磁籠，等離子體被抽出來(lái)的氣體會(huì)在真空容器中做圓周運(yùn)動(dòng)，并在磁籠的約束下形成閉合回路，因此不需要接觸容器壁。
1953年，斯皮策和他的同事在普林斯頓大學(xué)建造了世界上第一臺(tái)“仿星器”（），證明等離子體確實(shí)可以被磁籠限制在真空管的中心。同年，本次新聞的主角LLNL在加州大學(xué)伯克利分校成立。他們發(fā)明了一種新的磁約束技術(shù)，可以讓沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的等離子體在到達(dá)真空管一端后被反彈回來(lái)，就像光被反彈一樣。鏡子反射回同樣的東西，這就是磁鏡（ ）。
幾乎與此同時(shí)，英國(guó)牛津大學(xué)的科學(xué)家建造了世界上第一臺(tái)捏合機(jī)。本機(jī)利用等離子的特性，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)會(huì)自動(dòng)收縮（收縮）。它利用放電壓縮等離子體，將核聚變材料約束在電流線(xiàn)周?chē)?，防止其接觸。容器壁。
就這樣，英國(guó)和美國(guó)的核物理學(xué)家在短短三年內(nèi)想出了至少三種利用磁場(chǎng)約束等離子體的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明都可以引發(fā)核聚變。雖然核聚變產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)小于這三種裝置本身消耗的能量，但核聚變技術(shù)的發(fā)展速度已經(jīng)給了大家信心。 1955年8月，一群世界頂尖核物理學(xué)家在日內(nèi)瓦召開(kāi)了首屆聯(lián)合國(guó)和平利用原子能會(huì)議。會(huì)議主席印度裔霍米在會(huì)議上預(yù)言，可控核聚變將在20世紀(jì)出現(xiàn)。多年后成為現(xiàn)實(shí)。
《要有光》劇照
同年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·勞森導(dǎo)出了著名的勞森判據(jù)（ ），并于1957年公開(kāi)了這一結(jié)果。勞森判據(jù)是一組包含溫度、密度和約束時(shí)間三個(gè)變量的公式。只要將核聚變裝置的這三個(gè)數(shù)據(jù)代入公式中，就可以知道該裝置是否能夠?qū)崿F(xiàn)正能量，即能量輸出。大于輸入。
勞森準(zhǔn)則中的三個(gè)變量是乘積關(guān)系，這意味著核聚變裝置的各項(xiàng)指標(biāo)不必特別突出，只要三個(gè)指標(biāo)不是太差即可，其中1到2個(gè)特別優(yōu)秀即可。 。
核聚變的Q值與聚變?cè)系男再|(zhì)有很大關(guān)系。目前已知最容易獲得正能量的聚變?cè)鲜请碗暗缺壤幕旌衔铩Ｆ渌?lèi)型的核聚變必須滿(mǎn)足的參數(shù)條件比氘和氚大得多。有很多高中物理核聚變方程式，所以第一個(gè)要建造的可控核聚變發(fā)電裝置幾乎肯定會(huì)是氘氚聚變。氘可以從海水中提取，其儲(chǔ)量可供人類(lèi)使用至少數(shù)百萬(wàn)年。氚在自然界中的儲(chǔ)量非常少。目前基本上只能通過(guò)核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生的高能中子轟擊金屬鋰來(lái)獲得。年生產(chǎn)能力只有20公斤左右。另外，氚是一種放射性元素，半衰期只有12年，給核聚變實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大麻煩，目前還沒(méi)有好的解決方案。
勞森準(zhǔn)則的出現(xiàn)徹底改變了核聚變研究的范式。從此，大家只需要使用非放射性等離子體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就可以用勞森準(zhǔn)則計(jì)算出如果用氘和氚代替會(huì)發(fā)生什么。結(jié)果。也就是說(shuō)，核聚變研究從此成為一種工程研究。大家正在努力做的是如何降低等離子體的Q值，這與核聚變本身關(guān)系不大。
在接下來(lái)的10年里，英國(guó)和美國(guó)建造了多個(gè)基于仿星器、磁鏡和箍縮技術(shù)的核聚變裝置，但其性能均遠(yuǎn)低于預(yù)期。這時(shí)大家才意識(shí)到，人類(lèi)根本無(wú)法控制等離子體。人們對(duì)物理性質(zhì)知之甚少，無(wú)法預(yù)測(cè)這種極端物質(zhì)形式的行為。例如，捏合機(jī)可以將等離子體壓縮得非常致密，溫度可以升到很高，但是等離子體的捏合非常不穩(wěn)定，只能維持很短的時(shí)間，然后就會(huì)解體。相比之下，仿星器中等離子體的約束時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，但對(duì)其加熱和加壓非常困難，也很難滿(mǎn)足勞森準(zhǔn)則的要求。因此，當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的核聚變裝置的Q值還不到1/10000，距離正能量太遠(yuǎn)了。
托卡馬克裝置的出現(xiàn)
正當(dāng)所有人心灰意冷，幾乎要放棄核聚變的時(shí)候，蘇聯(lián)傳來(lái)了一條幾乎令人難以置信的消息。人類(lèi)有史以來(lái)建造的威力最強(qiáng)的“沙皇炸彈”（5000萬(wàn)噸TNT當(dāng)量）的設(shè)計(jì)者安德烈·薩哈羅夫（ ）設(shè)計(jì)了一個(gè)“電磁線(xiàn)圈環(huán)形室”（帶有線(xiàn)圈，即下面的磁約束裝置（這種新裝置相當(dāng)于仿星器和捏機(jī)的混合體，它看起來(lái)有點(diǎn)像輪胎，包含多組線(xiàn)圈，一些線(xiàn)圈負(fù)責(zé)形成一個(gè)。強(qiáng)磁場(chǎng)從外部約束等離子體，而一些線(xiàn)圈則負(fù)責(zé)從內(nèi)部箍縮等離子體。薩哈羅夫希望這種設(shè)計(jì)能夠結(jié)合仿星器和箍縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)性能的飛躍。
這一事件再次證明創(chuàng)新不是憑空而來(lái)，而是舊事物的新結(jié)合。
第一個(gè)托卡馬克原型機(jī)于1958年建成，但蘇聯(lián)科學(xué)家直到1965年才公布測(cè)試結(jié)果。西方科學(xué)家不相信蘇聯(lián)人的技術(shù)水平，也沒(méi)有把這件事放在心上。 1968年，蘇聯(lián)科學(xué)家公布了第二批實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但仍然未能給西方同行留下深刻印象。于是蘇聯(lián)政府邀請(qǐng)英美科學(xué)家來(lái)蘇聯(lián)進(jìn)行親身試驗(yàn)。結(jié)果證明，各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于西方國(guó)家同類(lèi)設(shè)備一個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)在所有人都沒(méi)有理由不相信。
“沙皇炸彈”設(shè)計(jì)師安德烈·薩哈羅夫（視覺(jué)中國(guó)提供）
托卡馬克裝置的發(fā)明拯救了核聚變工業(yè)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，所需技術(shù)也沒(méi)有那么復(fù)雜，投資也在可以承受的范圍內(nèi)。似乎很容易成功。于是，包括中國(guó)、韓國(guó)、印度在內(nèi)的一大批原本遠(yuǎn)離核聚變發(fā)電的國(guó)家也參與了該項(xiàng)目，并撥款建造自己的托卡馬克原型機(jī)，為即將到來(lái)的核聚變培養(yǎng)人才時(shí)代。在各方努力下，核聚變迎來(lái)了快速發(fā)展時(shí)期。從1969年到1999年，微電子行業(yè)Q值的增長(zhǎng)速度甚至超過(guò)了摩爾定律。
回顧那個(gè)黃金時(shí)代，值得一提的是三臺(tái)核聚變裝置，分別是美國(guó)的TFTR、英國(guó)的JET和日本的JT-60。 TFTR 由普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室 (PPPL) 建造。它是世界上第一個(gè)嘗試使用半氘和氚核聚變?nèi)剂习l(fā)電的托卡馬克裝置。輸出功率首次突破萬(wàn)千瓦大關(guān)。 。 JET就是前面提到的英國(guó)建造的托卡馬克裝置。 1997年，它使用等比例的氘和氚燃料創(chuàng)下了Q=0.67的世界紀(jì)錄。也就是說(shuō)，它用了24000千瓦的能量輸入，換來(lái)了16000千瓦。能量輸出。
最值得關(guān)注的是日本的JT-60。該裝置比前兩者具有更好的技術(shù)參數(shù)。曾創(chuàng)下5.22億攝氏度離子溫度的世界紀(jì)錄。但由于日本對(duì)放射性物質(zhì)的使用有很多限制，日本科學(xué)家只能使用氘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的Q值不高。但如果將實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算成氘和氚，JT-60的Q值達(dá)到1.25，首次實(shí)現(xiàn)正能量。
2020年7月28日，在法國(guó)南部，技術(shù)人員正在制作磁場(chǎng)繞組。該設(shè)備用于國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的托卡馬克裝置。
在任何領(lǐng)域，如果有科學(xué)家說(shuō)，雖然我的裝置實(shí)際上沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)，但通過(guò)計(jì)算證明它達(dá)到了，大家肯定會(huì)嘲笑他的傲慢。但在這種情況下，日本科學(xué)家給出的數(shù)據(jù)是相當(dāng)可信的，因?yàn)楦鶕?jù)勞森準(zhǔn)則，專(zhuān)家們已經(jīng)可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)際情況的Q值。也就是說(shuō)，在核聚變領(lǐng)域的專(zhuān)家心目中，核聚變的Q值已經(jīng)超過(guò)了1。大家關(guān)心的不再是Q值是否超過(guò)1，而是Q值是否可以提高。 1.很多次。畢竟我們研究的目的是實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電，必須考慮到各種能量損失，所以Q值越高越好。
于是，大家關(guān)注的焦點(diǎn)是如何大幅提升Q值，而托卡馬克裝置仍然被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)路徑。
激光事件
看完這里，細(xì)心的讀者一定會(huì)問(wèn)，新聞中提到的核聚變裝置是不是使用激光，而不是托卡馬克？是的，這次將Q值提高到1以上的裝置使用的是高能激光器，它是由蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫（Basov）和中國(guó)院士王淦昌在20世紀(jì)60年代初獨(dú)立提出的。 。這種方法本質(zhì)上是依靠聚變?cè)系膽T性，因此也稱(chēng)為慣性約束法。雖然這種方法只能維持很短的約束時(shí)間，并且需要不斷啟動(dòng)激光發(fā)生器，但由于激光束可以產(chǎn)生極高的溫度和壓力，理論上可以彌補(bǔ)約束時(shí)間的不足，從而滿(mǎn)足勞森準(zhǔn)則的要求。
問(wèn)題是高能激光器屬于軍工行業(yè)，普通老百姓用不起。只有少數(shù)軍事大國(guó)嘗試過(guò)這條技術(shù)路線(xiàn)。事實(shí)證明，這種方法需要對(duì)激光束進(jìn)行極其精確的控制，這在技術(shù)上太難實(shí)現(xiàn)，因此取得了進(jìn)展。更慢一點(diǎn)。這則新聞的主角，LLNL，原本是一個(gè)軍事單位。他們的主要業(yè)務(wù)是激光武器的研究，核聚變研究只是一個(gè)休閑的事情。 LLNL 耗資 40 億美元的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施花了十多年時(shí)間才首次實(shí)現(xiàn)正能量。這次，他們將 192 束高能激光束指向一個(gè)豌豆大小的容器。激光產(chǎn)生的巨大能量最終在容器內(nèi)引起了氘和氚的高效核聚變反應(yīng)。
合肥EAST核聚變反應(yīng)堆（視覺(jué)中國(guó)提供）
問(wèn)題是這種方法涉及大量軍事機(jī)密，別人很難模仿。該技術(shù)路線(xiàn)多為實(shí)驗(yàn)性，實(shí)用性很差。事實(shí)上，雖然實(shí)驗(yàn)的理論輸入能量為2.05兆焦耳，但發(fā)射192束高能激光束所需的能量卻高達(dá)322兆焦耳，遠(yuǎn)高于核聚變產(chǎn)生的能量。
也就是說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目本質(zhì)上是一個(gè)軍事項(xiàng)目，與民用關(guān)系不大。 LLNL采用的技術(shù)路線(xiàn)并不適合發(fā)電，而該單位實(shí)驗(yàn)的最初目的是研制核武器，與發(fā)電無(wú)關(guān)。當(dāng)然，作為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)Q值大于1的實(shí)驗(yàn)室，這項(xiàng)研究的象征意義還是非常巨大的。至少給普羅大眾普及了核聚變的知識(shí)，不然沒(méi)有人會(huì)看我的文章。的。
核聚變商業(yè)化
當(dāng)日本的JT-60達(dá)到理論Q值大于1時(shí)，核聚變專(zhuān)家們信心十足。他們堅(jiān)信，核聚變發(fā)電在理論上是可行的，只要將托卡馬克裝置做得更大。因此，經(jīng)過(guò)一番討價(jià)還價(jià)，中國(guó)、印度、日本、韓國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和歐盟七個(gè)成員國(guó)于2007年發(fā)表聯(lián)合聲明，決定在卡達(dá)拉切（）建造世界上最大的國(guó)際熱核反應(yīng)堆。法國(guó)南部。實(shí)驗(yàn)聚變反應(yīng)堆（ITER）從工程角度探索建造商業(yè)核聚變電站的可行性。
2020年11月4日，一列滿(mǎn)載核電站廢料的列車(chē)?？吭诘聡?guó)比布利斯小鎮(zhèn)（視覺(jué)中國(guó)供圖）
經(jīng)過(guò)計(jì)算，專(zhuān)家認(rèn)為核聚變反應(yīng)堆的Q值至少要大于5才具有商業(yè)價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們必須找到增加等離子體體積和限制時(shí)間的方法。這就需要將托卡馬克裝置的真空室做得非常大。當(dāng)然，配套電磁鐵也必須做得更大。 。正在設(shè)計(jì)的 ITER 是一個(gè)高達(dá) 15 層樓的龐然大物。其核心是一座高30米、直徑28米、重2.3萬(wàn)噸的圓柱形反應(yīng)堆。溫度高達(dá)1.5億攝氏度的等離子體將在半徑約6.2米的輪胎狀真空室內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。線(xiàn)圈表面約束其行為的磁場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到14特斯拉，是冰箱磁鐵的10000倍以上。如此強(qiáng)的磁場(chǎng)是由數(shù)個(gè)高達(dá)25米的電磁體產(chǎn)生的，整個(gè)裝置使用的線(xiàn)圈總長(zhǎng)度超過(guò)10萬(wàn)公里。這些線(xiàn)圈必須冷卻至 4K（-269°C 的低溫）才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。因此，ITER將成為宇宙中溫差梯度最大的裝置，其工程難度可想而知。
如此龐大的安裝，任何一個(gè)國(guó)家都很難單獨(dú)完成。團(tuán)結(jié)合作是唯一選擇。 ITER的想法最初源于1985年戈?duì)柊蛦谭蚝屠锔囊淮蚊捞K峰會(huì)，雙方一拍即合，法國(guó)和日本也迅速跟進(jìn)，將其變成了四方合作項(xiàng)目。初步計(jì)算表明，ITER可能耗資100億美元，這將吃掉四個(gè)國(guó)家的全部聚變預(yù)算。因此，一些科學(xué)家提出了反對(duì)意見(jiàn)，認(rèn)為不應(yīng)該把所有的寶藏都放在托卡馬克裝置上，應(yīng)該留出一些資金來(lái)探索其他方法，比如仿星器和球形馬克（）。其他科學(xué)家認(rèn)為，ITER 項(xiàng)目耗時(shí)太長(zhǎng)，可能在完成之前就已經(jīng)過(guò)時(shí)了。
2021年9月17日，英聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)公司CEO站在超級(jí)電容器測(cè)試設(shè)備上（視覺(jué)中國(guó)提供）
因此，世界各地一些富有創(chuàng)新精神的科學(xué)家仍在探索，試圖找到一種比ITER更經(jīng)濟(jì)的核聚變商業(yè)化方式。例如，麻省理工學(xué)院（MIT）的一組核物理學(xué)家設(shè)計(jì)了基于高溫超導(dǎo)材料的核聚變電站ARC。體積不到ITER的十分之一，成本也只有ITER的百分之幾。 ，但磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)20特斯拉。計(jì)算表明，在輸出功率不變的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度每增加一倍，等離子體的體積可減少16倍。 ARC的高磁場(chǎng)強(qiáng)度將大大減小核聚變裝置的尺寸，從而降低成本，降低其自身成本。能源消耗。
這些另辟蹊徑的科學(xué)家受到了資本市場(chǎng)的追捧。目前融資第一的是一家名為“ ”（CFS）的核聚變公司，由上述麻省理工學(xué)院的科學(xué)家小組在馬薩諸塞州創(chuàng)立。 ）和比爾蓋茨等人，總金額超過(guò)2億美元。該公司希望在2025年建造一個(gè)基于ARC設(shè)計(jì)的原型SPARC，體積僅為ITER的1/65，Q值超過(guò)3。如果測(cè)試成功，他們計(jì)劃建造一個(gè)百萬(wàn)千瓦ARC核聚變電站2030年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。資本市場(chǎng)顯然非?？春眠@家公司。 2021年9月，該公司建造了表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為20特斯拉的高溫超導(dǎo)環(huán)形磁場(chǎng)線(xiàn)圈原型。兩個(gè)月后，該公司獲得總計(jì)18億美元的B輪融資，財(cái)務(wù)前景一片光明。
融資額第二大的私營(yíng)聚變公司名為“ ”（ ），總部位于美國(guó)加利福尼亞州。這家公司使用的技術(shù)稱(chēng)為“場(chǎng)”（Field），可以認(rèn)為是一種沒(méi)有中間線(xiàn)圈的磁約束裝置，與另一種有前途的球標(biāo)裝置非常相似。由于沒(méi)有中間線(xiàn)圈，這兩種磁約束裝置的結(jié)構(gòu)比托卡馬克簡(jiǎn)單得多。如果成功，將大大降低核聚變電站的成本。截至2021年底，該公司已獲得8.8億美元融資，投資者包括谷歌、高盛和微軟聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·艾倫，他們也是星光熠熠。
另一位明星投資人、前世界首富杰夫·貝佐斯看中了一家名為“ ”的加拿大公司，該公司發(fā)明了一種介于磁約束和慣性約束之間的方法。在新的聚變技術(shù)中，機(jī)械泵用于在磁約束中壓縮等離子體。該公司已獲得3億美元融資，將于2022年開(kāi)始在英國(guó)建造原型機(jī)，具體細(xì)節(jié)尚未公布。不過(guò)，該公司曾發(fā)表過(guò)一篇關(guān)于球形托卡馬克的論文（ ）。不知道是暗示他們即將轉(zhuǎn)型，還是參考了這次的新設(shè)計(jì)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球至少有20家私營(yíng)公司正在探索核聚變發(fā)電的商業(yè)可行性。這個(gè)行業(yè)已經(jīng)成為資本的新戰(zhàn)場(chǎng)。除了氣候變化給能源行業(yè)帶來(lái)的紅利外，很大原因是現(xiàn)有的國(guó)家投資主導(dǎo)的大型核聚變裝置仍以科研為主，缺乏商業(yè)考慮。許多民間企業(yè)采取了完全不同的策略，即先以較低的成本建造原型機(jī)，然后一邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)一邊進(jìn)行修改，希望通過(guò)工程手段提高性能，爭(zhēng)取盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電。
結(jié)論
乍一看，這些初創(chuàng)公司和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)系有點(diǎn)像 NASA 和 之間的競(jìng)爭(zhēng)。前者從政府拿錢(qián)，從事服務(wù)全人類(lèi)的大型項(xiàng)目。后者是埃隆·馬斯克創(chuàng)立的一家私人公司。它開(kāi)發(fā)了可重復(fù)使用的發(fā)射車(chē)，其資金和比NASA少得多，而NASA大大降低了太空運(yùn)輸成本。它迎來(lái)了載人太空飛行的私人時(shí)代。今天的迭代幾乎和NASA一樣大，而CFS和TAE等公司一直遵循Musk的榜樣。后者甚至偷獵了公司的許多人，試圖復(fù)制馬斯克的成功模型。
但是，如果您仔細(xì)比較它，則這種類(lèi)比不是很合適，因?yàn)镹ASA等國(guó)家機(jī)構(gòu)可以證明太空旅行是可行的，而使用商業(yè)公司獨(dú)有的靈活性和自主權(quán)，這只是對(duì)現(xiàn)有航空航天技術(shù)的改進(jìn)。 ，雙方都可以從這種差異化的競(jìng)爭(zhēng)中受益，結(jié)果確實(shí)對(duì)每個(gè)人都很滿(mǎn)意。但是，可控制的核融合尚未成功，并且仍然有許多尚未解決的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。國(guó)家機(jī)構(gòu)的重要性是不可替代的。
從這個(gè)意義上講，LLNL的貢獻(xiàn)不能被低估，它值得“里程碑成就”的聲譽(yù)。對(duì)于諸如核融合之類(lèi)的超嚴(yán)重新技術(shù)，我們必須全力以赴。州和私人公司應(yīng)共同利用各自的優(yōu)勢(shì)分別探索。畢竟，這是一項(xiàng)可以改變世界的技術(shù)。我們?cè)皆鐚?shí)現(xiàn)目標(biāo)，我們就會(huì)越早過(guò)上幸福的生活。
排版：菲菲/審稿：童童