稿源：科普中國

據(jù)英國《金融時(shí)報(bào)》援引消息人士提供的信息，北京時(shí)間今天晚上，美國能源部將會(huì)召開一次新聞發(fā)布會(huì)，預(yù)計(jì)將公布人類首次有收益的可控核聚變實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

重要問題放前面，據(jù)報(bào)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：人類花費(fèi)幾十年努力，用一個(gè)價(jià)值幾百億的爐子，產(chǎn)生了可以燒開一壺水的能量。

【資料圖】

上面這是我翻譯的，原話的意思是：美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的可控核聚變“國家點(diǎn)火裝置（NIF）”在十一月底的一次實(shí)驗(yàn)中，用 2.1 兆焦的能量輸入，測(cè)量到 2.5 兆焦的能量輸出，能量凈收益 400 千焦。

NIF 192束高能激光匯聚在一起，圖片來源：NIF官網(wǎng)

不關(guān)注科學(xué)新聞的朋友可能覺得這沒啥。經(jīng)常關(guān)注核聚變研究進(jìn)展的朋友也會(huì)覺得這也不是啥驚嚇。處于兩者之間的朋友們可能是最歡呼雀躍的。

當(dāng)然我們要先說正能量消息，這個(gè)消息就是真正的“正能量”。核聚變因?yàn)槠渚薮蟮臐摿?，被很多人認(rèn)為是解決人類未來能源乃至一切問題的根本解決方案。

可不，要是不可控的核聚變玩大了，有可能根本解決一切問題，畢竟，那就是氫彈……

核聚變的發(fā)生要在一個(gè)極端高溫高壓的環(huán)境里才能實(shí)現(xiàn)。自然界中，包括太陽在內(nèi)的恒星，之所以可以用核聚變來產(chǎn)生巨大的能量，原因就在于它們都超級(jí)超級(jí)大，自身的引力在恒星內(nèi)部產(chǎn)生了極大的壓強(qiáng)。顯然，地球上沒法制造這么大的引力。在氫彈中，我們用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓來使物質(zhì)達(dá)到聚變的條件。然而那是一錘子買賣，不可控。

幾十年下來，最終有兩種解決思路成了可控核聚變的主流方案。

01 用超強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體

火就是等離子體，物質(zhì)的溫度高到一定程度就會(huì)變成等離子體，而等離子體帶電，所以可以用磁場(chǎng)來“困住”它。大家可以點(diǎn)個(gè)蠟燭，用強(qiáng)磁鐵試試看能不能讓火焰彎曲。

那么磁場(chǎng)從哪里來？磁生電、電生磁，所以只需要一個(gè)電磁鐵就能產(chǎn)生磁場(chǎng)。但要產(chǎn)生巨大的磁場(chǎng)就需要巨大的電流，巨大的電流在普通的導(dǎo)線里，會(huì)由于電阻的存在變成巨大的“電熱爐”，最終燒了整個(gè)電磁鐵。

不過，我們現(xiàn)在有了超導(dǎo)材料，用超導(dǎo)電磁鐵圍住一個(gè)環(huán)，產(chǎn)生的超強(qiáng)磁場(chǎng)讓里面的物質(zhì)即便很熱也跑不出去。跟太上老君的煉丹爐一樣。這種思路，就是超導(dǎo)托卡馬克裝置，最早是蘇聯(lián)科學(xué)家提出的。

圖片來源：中國科學(xué)院等離子體物理研究所

目前，超導(dǎo)托卡馬克派是國際核聚變界的更主流的力量，我國的聚變裝置主要為托卡馬克。憑借在超導(dǎo)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，我國很早就開展了這個(gè)思路的可控核聚變研究。2006 年，我們就在合肥建成了“東方超環(huán)”全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，此后不斷創(chuàng)造世界紀(jì)錄，現(xiàn)在已經(jīng)可以把一億度的等離子體束縛十幾分鐘。

我們還參與了可控核聚變界最大的國際合作項(xiàng)目-國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的建設(shè)，該項(xiàng)目在法國南部，總花費(fèi)將超過 100 億歐元。歐盟作為發(fā)起人占 45% 份額，中、美、俄、日、韓、印分擔(dān)其余的份額。它將會(huì)在 2025 年完成建設(shè)開始實(shí)驗(yàn)。到時(shí)候，它的磁場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到 5.3 特斯拉（注：特斯拉是磁場(chǎng)強(qiáng)度的國際標(biāo)準(zhǔn)單位），要知道地球表面的地磁強(qiáng)度才幾十個(gè)“微”特斯拉，我們東方超環(huán)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是 3.5 特斯拉。

托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)很接近凈收益的可控核聚變了。什么叫凈收益呢？就是有的賺。人工核聚變?nèi)祟愒鐚?shí)現(xiàn)了，可控人工核聚變也實(shí)現(xiàn)很久了，但是要實(shí)現(xiàn)它，我們需要花費(fèi)巨大的能量。比如要維持托卡馬克裝置巨大的磁場(chǎng)，就需要巨大的電能，最終核聚變產(chǎn)生的能量還沒我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)它花的能量多。

02 用激光約束等離子體

另一派可控核聚變的技術(shù)流，是用激光實(shí)現(xiàn)等離子約束。激光可以讓很大的能量集中在很小的區(qū)域內(nèi)，此次美國國家點(diǎn)火裝置（NIF），就是用激光約束等離子體這一方法的。

在實(shí)驗(yàn)中，NIF 使用激光照射一個(gè)塑料小球，激光的超高溫度會(huì)讓小球瞬間氣化，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)速度為 350 千米/秒的沖擊波。

隨后，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)把小球氣化后的等離子體進(jìn)行壓縮，被壓縮的等離子體密度會(huì)達(dá)到鉛的 10 倍以上（可以想象成把 2 個(gè)雞爪子壓縮到 1 立方厘米大?。?。

為了做到這一點(diǎn)，NIF 需要用大約 200 束紫外激光照射塑料小球，這些激光來自于摻釹磷酸鹽玻璃激光器，總功率達(dá)到了驚人的 500 太瓦。

太瓦是什么？  

瓦大家比較熟悉，什么充電器多少瓦的。

千瓦是一千個(gè)瓦，空調(diào)電烤箱功率是一兩個(gè)千瓦；

一千個(gè)千瓦是兆瓦，飛機(jī)、輪船的發(fā)動(dòng)機(jī)是兆瓦級(jí)別；

一千個(gè)兆瓦是吉瓦，三峽水電站的裝機(jī)容量大概二十吉瓦；

而一千個(gè)吉瓦是太瓦。

500 太瓦什么概念呢？三峽一年的發(fā)電量，只能讓它運(yùn)行十幾分鐘。

好在，這 500 太瓦的激光只是在一瞬間工作的，工作時(shí)間以納秒計(jì)算。即便如此，每次工作之后，NIF 都需要幾個(gè)小時(shí)讓實(shí)驗(yàn)裝置冷卻下來。

“激光約束等離子體”這一派以美國為領(lǐng)軍者，我國也有自己的神光裝置，幾十太瓦的峰值功率雖然不及 NIF，但是完全有可能用不同的點(diǎn)火方案實(shí)現(xiàn)類似的結(jié)果。

登上《中國科學(xué)》封面的神光裝置

NIF 今年年中也實(shí)現(xiàn)過一個(gè)能量輸出的突破，但是之后沒能重復(fù)出同樣的結(jié)果。太瓦級(jí)巨大能量、皮秒級(jí)極小時(shí)間，這是完全超越了日常生活體驗(yàn)的世界。可控核聚變研究就是在世界的邊緣探索。

如果你問，今天這個(gè)大新聞意味著什么？那么或許可以用可控核聚變研究領(lǐng)域這個(gè)自嘲來回答：人類距離可以使用核聚變解決能源問題永遠(yuǎn)只剩下 50 年了。1962 年的時(shí)候差 50 年，2022 年了，大概還差 48.5 年吧。

人類加油。

關(guān)鍵詞： 等離子體 托卡馬克 磁場(chǎng)強(qiáng)度