把太阳装进盒子里:我们离摸到核聚变的温度还有多远?

9月23号那天在南京逛河西的科技展,挤在人堆里凑到那台仿托卡马克的模型跟前,旁边的大爷攥着印着老干妈的保温杯跟我唠,说这玩意儿不就是人造太阳嘛,真成了以后电费是不是能降到跟自来水似的?

我当时笑着打哈哈,说差不多吧。其实心里没底。

真的难。

你以为的“烧开水发电”,其实根本不是你想的那样

说实话,我之前也以为,所谓可控核聚变,就是把氢弹拆成小份,点一下炸一点,慢慢往外掏能量。直到跟展会上那个穿所里藏青色工装的小哥聊了半小时才反应过来——我们从一开始就搞错了对比对象。氢弹是瞬间把所有燃料砸出去爆,而搞可控聚变的这群人,是要把上亿度的等离子体,像捏玻璃弹珠似的,稳在真空腔里,一秒、两秒、十秒……每多稳一秒,都够他们在组里吹半个月。

我们常说的核聚变反应,本质是把两个轻的原子核,凑到近到能被强相互作用抓住的距离,捏成一个重一点的核,过程中丢出来的质量差,按照质能方程换算成能量放出来。要凑到这个距离,得满足三个最基础的条件:

温度够高。密度够大。约束时间够长。

这三个凑齐了,才能跨过那个叫劳逊判据的及格线,让反应放出来的能量,比为了维持反应投进去的能量多。

南京科技展 仿托卡马克装置实体模型
南京科技展 仿托卡马克装置实体模型

很多人听到“上亿度”就咋舌,觉得这东西怎么可能装在盒子里?其实现在的主流方案,根本不是用实体的容器装——毕竟没有任何固体材料,能扛得住上亿度的等离子体烧。大家用的是强磁场,把带电的等离子体兜在真空腔的半空中,让它跟腔壁完全不接触。说起来简单,做起来真的能把人逼疯:等离子体在腔里不是乖乖待着的,它会晃、会抖、会找磁场的缝隙钻出去,稍微有点扰动,之前攒的几十秒甚至几百秒的约束时间,瞬间就清零。

说起来也有意思,“核聚变永远还有50年”这句话,从上世纪50年代搞聚变的第一批科学家嘴里说出来,传到现在都快70年了,还是没人能把这个时间给缩短点。不是大家不卖力,是这玩意儿的难度,真的超出普通人的想象。

那些被营销号吹上天的“突破”,到底有多少是真的?

去年刷爆朋友圈的那个“核聚变点火成功”的新闻,我当时刷到的时候,正在明瓦廊的摊子上吃皮肚面,差点把辣油溅到手机屏幕上。点进去看了半天才反应过来,大家都在转的那笔能量账,是把从电网拉到激光器里的电,给偷偷藏起来不算的。

那次实验是美国国家点火装置做的,简单说就是用192束高能激光,同时打在一个比指甲盖还小的靶丸上,瞬间把靶丸里的氘氚燃料压缩加热到聚变反应的温度,最后测出来的结果是,打在靶丸上的激光能量大概2兆焦,最后聚变反应放出来的能量是3兆焦,算下来确实是输出比输入(这里的输入指的是打在靶上的激光能量)多了50%。

NIF激光惯性约束聚变靶丸结构细节图
NIF激光惯性约束聚变靶丸结构细节图

但问题是,为了攒这2兆焦打在靶上的激光能量,整个装置从电网拉过去的电,大概是300多兆焦。对吧?换你你也得算明白这笔账:就像你为了炸掉一个10块钱的窜天猴,花了1000块钱买了个超级大的打火机,最后窜天猴炸出来的烟花值15块钱,你说你是赚了还是亏了?

当然我不是说这个突破没价值。毕竟这是人类第一次在实验室里,实现了打在靶上的能量小于聚变输出能量的实验,相当于你终于摸到了那个“净增益”的门槛。但离普通人理解的“发的电比用的电多,能并网卖钱”,还差着十万八千里呢。

之前刷到过好多营销号写的“再过十年核聚变就要商用了”,点进去看内容,全是把实验室里的单次实验结果,直接套到商用电站的场景里。说真的,这种话我要是搞聚变的科研人员,看了都得挠头。

我们现在到底摸到哪一步了?

我们现在到底摸到哪一步了?
我们现在到底摸到哪一步了?

其实现在全球的聚变研究,基本是沿着两条技术路径在走。一条是大家最熟悉的托卡马克,就是那个甜甜圈形状的真空腔,靠强磁场把等离子体兜在里面。比如合肥科学岛的EAST装置,之前实现了403秒的长脉冲高参数等离子体约束运行——这个数字是什么概念?相当于你把一团上亿度的等离子体,稳稳在磁场里托了快7分钟,没掉出来,没熄火。

另一条就是刚才说的惯性约束路径,靠激光或者其他驱动源,瞬间把靶丸压缩到聚变条件,每次打靶产生一次脉冲式的聚变反应。

我之前去合肥科学岛参观过一次EAST的现场,站在装置外围的防护玻璃跟前,看着那堆密密麻麻的管线、磁体、诊断探头,突然就有点鼻酸。这堆看起来跟科幻片里外星飞船部件似的铁疙瘩,是一群人从三十年前就开始一砖一瓦搭起来的。没有什么天降的突破,都是熬出来的。从最早的几毫秒约束时间,到几秒,到几十秒,到几百秒,每往前挪一点,背后都是几千个日夜的调试、失败、再调试。

不过话说回来,就算真的有一天,我们能把等离子体稳在腔里跑几个月不熄火,后面还有一堆烂摊子等着收拾:比如腔壁最内层的第一壁材料,会被聚变产生的高能中子轰得慢慢变脆、掉渣,怎么换?比如氚这种燃料,地球上天然存在的量极少,怎么靠聚变反应自己产氚,实现氚的自持循环?整个装置的能量转换效率怎么提上去?这些问题,没有一个比约束等离子体简单。

上次跟南京展会上那个工装小哥聊天,他说他刚进所的时候,导师跟他讲,这行就是得坐冷板凳,说不定等你退休的时候,能赶上第一座聚变电站并网,就算没白干。

我当时听完没说话。

风从展厅的通风口吹过来,带着旁边卖盐水鸭摊位的咸香味。

突然就觉得,好像也不是那么难等。

作者|科技

排版|科技

审核|小北

免责声明:市场有风险,选择需谨慎!此文仅供参考,不作买卖依据。如有侵权请联系删除。
文章名称:把太阳装进盒子里:我们离摸到核聚变的温度还有多远?
文章链接:https://m.lfdjt.com/p/keji/a/11311.html