在南京9月的开放日聊核聚变:它到底离我们还有多远

9月23号秋分,南京的天终于退了暑气,江北科创城办开放日,我拉着朋友去凑热闹,本来就是冲着免费咖啡和印着实验室logo的文创盲盒去的,转着转着就走到最里面一个没什么人的展台。灰蓝色背景板印着半个甜甜圈形状的图案,玻璃柜里摆着一小块银灰色的材料,戴旧鸭舌帽的老师傅坐在折叠椅上玩手机,看见我凑过去看,主动招了招手。

我才反应过来,这是做核聚变相关研究的展台。

别被名字骗了,我们做的不是翻版太阳

一说起核聚变,所有人第一反应都是「人造太阳」。很多科普文写,就是模仿太阳发光发热的原理,把氢捏成氦放能量。说实话,这个说法误导性真的很强。

太阳靠引力压住核聚变材料,核心压力相当于三千亿个大气压,温度才一千五百万度,慢悠悠反应了几十亿年。我们在地球上搞核聚变,没有那么大的引力,只能靠把温度堆到一亿度以上,靠磁场把超高温的等离子体「托」在空中,才能让反应持续下去。根本不是一回事。

磁约束核聚变托卡马克装置真空内部结构图
磁约束核聚变托卡马克装置真空内部结构图

很多人说不就是把两个原子核撞一起吗?难在哪儿?原子核带正电啊,两个正电碰到一起就互相推开,要挤到能黏在一起的距离,太难了。老师傅说,现在大家公认三个必须同时满足的条件:温度够高,密度够大,保持这个状态的时间够长。三个条件缺一个,反应就停,就像你烤红薯,火够旺时间不够,咬开还是生的,时间够旺火不够,烤一下午还是凉的。就这么简单的道理,折腾了快一百年。

网上一堆人吐槽,说搞核聚变的永远说「还得五十年」,骗了一代又一代经费。老师傅听了也不生气,笑着端起矿泉水瓶抿了一口,说最早说五十年的时候,我们连等离子体稳定约束十秒都做不到,现在能稳定上千秒了,这不就是进步吗?五十年前的五十年,和现在的五十年,目标本来就不一样。

那些你没看懂的新闻,到底说了啥

前两年铺天盖地发新闻,说核聚变第一次实现输出能量大于输入,马上就能发电了。好多人激动得不行,转头又说怎么还没落地,是不是骗人的?

这里面的门道,老师傅一句话说透了:算法不一样。

大家说的输出大于输入,指的是核聚变反应输出的能量,和用来加热等离子体的激光能量比,确实超了。但激光本身是靠电发出来的啊,发电站给激光供电,激光再去加热反应,算上整个系统的能量损耗,现在输入的电还是比输出的多得多。说白了,现在只是反应本身赚了,整个系统还在亏。

核聚变不同能量增益计算方式对比图
核聚变不同能量增益计算方式对比图

那我们现在到底走到哪一步了?

现在国际上一起搭的大装置,我们国内自己的新一代装置,都在往最终的商用目标走。最难啃的两块骨头,一块是材料,一块是长时间稳定运行。一亿度的等离子体悬在真空里,不会直接碰装置壁,但飞出来的中子会一点一点侵蚀装置的内壁,用不了几年就要换,怎么做出能扛住中子辐照几十年的材料,全世界的实验室都在磨。南京这边好几个高校的材料实验室,做了十几年,去年才拿出几块合格的试验样。

就这一步,没有捷径,只能一块一块试。

不过话说回来,真的比半个世纪前快太多了。老师傅说,他刚参加工作的时候,算参数还要靠手摇计算器,现在超级计算机几秒就能跑完几千组模型,迭代速度不知道快了多少倍。

没等到发电,它已经改变我们的生活了

没等到发电,它已经改变我们的生活了
没等到发电,它已经改变我们的生活了

很多人说,反正我这辈子肯定用不上核聚变发电,搞它干嘛?

这话真错了。核聚变研究这么多年,衍生出来的技术早就渗透到你我生活里了。你去医院做的核磁共振,用的超导磁体技术,最早就是为了约束等离子体研发的;现在癌症治疗用的质子重离子加速器,核心技术也是从核聚变研究来的;甚至现在我们用的很多特种材料、同位素,都是核聚变研究带出来的成果。

说白了,就算再过五十年才能商用核聚变发电,这五十年里养出来的技术,早就值回票价了。

我拿起玻璃柜里那块银灰色的材料看,掂了掂,比看起来重,冰凉的,就是新一代抗辐照材料的试验样,要放在装置里试个三五年,才能知道合格不合格。老师傅说,这块样就是南京这边做出来的,下个月就要运去装置那边做测试了。

我当时就在想,我们对科技的期待总是太急,要么觉得明天就能改变世界,要么觉得永远做不出来就是骗子。其实哪有那么多风口上一蹴而就的奇迹,大部分时候就是一群人,闷头一块材料一个参数磨,今天多走一步,明天多走一步,慢慢就离目标近了。

出来的时候,江风刮过来,带着桂花香,远远能看见江面上的船慢悠悠开。我把老师傅给我的甜甜圈形状纪念徽章别在包上,突然觉得,核聚变不一定非要什么时候一定要用上才叫成功。它现在每往前走一步,都在给整个科技树拖出来新的枝桠,总会结出你想不到的果子。

至于什么时候能用上家里的核聚变发的电?不急。慢慢等就是了。

作者|科技

排版|科技

审核|柚子

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