美国宣布人造太阳实现重大突破，这到底是什么黑科技？

发布时间：2022-12-16 12:02:29 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　

　　在美国东部时间的12月13号上午10点钟，也就是北京时间晚上11点，美国能源部在加州的劳伦斯利弗莫尔实验室宣布了一项重大新闻：“突破性进展”。

　　到底是啥突

　
　　在美国东部时间的12月13号上午10点钟，也就是北京时间晚上11点，美国能源部在加州的劳伦斯利弗莫尔实验室宣布了一项重大新闻：“突破性进展”。

　　到底是啥突破性进展呢？

　　美国能源部最终发布的消息确认了坊间的传闻：劳伦斯·利弗莫尔实验室的国家点火装置实现了可控核聚变的一项重大突破，他们实现了能量的正收益。按照他们美国能源部公布的数据，输出能量和输入能量之间的比值是1.5，收益是正的。

　　按照美国人的说法，这是可控核聚变的一个重要里程碑事件。人类又向前迈出了一大步，真是这样吗？

　　有关这则新闻，我们要搞清楚几个问题。

　　什么叫核聚变？难在哪儿？

　　美国人这次宣布的是什么成就？

　　到底有什么意义？

　　大家别急，慢慢往下听哦~

　　01

　　第一个问题：

　　什么是核聚变？

　　通俗来讲，核聚变就是指两个较轻的原子核融合成为一个较大的原子核的反应。氢原子是最简单的只有一个孤零零的质子。氢的同位素氘就要稍微复杂一点，原子核是1个质子和1个中子组成的。同位素氚就更复杂一点，原子核包含1个质子和2个中子。

　　比如说两个氘原子核在极高的温度和压力之下，会互相融合在一起，变成氦3的原子核，同时扔出一个中子。氦3是2个质子和1个中子组成，外加扔掉的那个中子，前后核子数不变。这个过程会释放出巨大的能量。

　　一杯水之中只含有很少一点点的氘原子，但是，如果我们能让这一点点氘原子产生核聚变反应，释放出的能量转化成电能，足够一家人用一年的。可见能量多么巨大。

　　地球上的海水多的是，其中的氘原子总量并不少。一旦真正能够解决受控核聚变的问题，人类的能源瓶颈就不存在了，而且核聚变还非常干净，原料干净，产生的产物也干净。

　　02

　　第二个问题：

　　为什么那么难？

　　但是，质子是带正电的，中子不带电，所以由质子和中子组成的原子核也是带正电的，同性相斥，这股斥力非常大。你要让两个带正电的原子核挤到一起，粘接成一个更大的新原子核，那可是要费九牛二虎的力气了。

　　最简单的办法是高温高压，巨大的压力使得所有的原子都往一起凑，高温使得所有的原子都在拼命的无规则运动，而且温度越高运动越是剧烈，要是温度高达上亿度，原子核最终就会突破库仑力的阻碍，撞在一起，发生核聚变反应。

　　上亿度的高温，实在是太难获得了。只有原子弹爆炸的一瞬间，才能产生这样的高温，所以要让核聚变的能量释放出来，就必须用原子弹作为火柴去点燃它。由此引发连锁反应，核聚变释放出巨大的热量，引发更多的核燃料也发生聚变反应，最后整个装置炸光。这就是所谓的“氢弹”，也叫“热核武器”。


　　我国氢弹实验成功

　　当然，我们这里说的简单，真要用原子弹作为引信去点燃氢弹，那是千万万难。关键的一点就是原子弹爆炸的时候，如何趁着核材料炸飞之前想办法点着核材料，万一核材料来不及产生核聚变反应就被炸飞了。那这颗氢弹就变成了哑弹了。

　　这个问题的本质，其实就是如何把核材料约束在极端高温的环境里不跑。美国是著名的科学家泰勒和乌拉姆解决了这个问题，咱们国家解决这个问题的认识于敏。他们这都是非常了不起的科学家。

　　现在，我们需要做的不是氢弹，而是核聚变反应炉，我们追求的不是瞬间爆炸，而是持续不断的核聚变反应。虽然前景非常诱人，但是难度就太大了。把核材料约束在持续不断的高温高压环境里就非常难。

　　但是，在宇宙太空之中，这样的环境比比皆是，太阳就是典型。1920年，英国的爱丁顿就提出一个理论，太阳的能源就来自于氢元素的核聚变反应。太阳是靠自身的巨大质量产生的引力，牢牢的把大量的氢元素和氦元素捏成了一个球。在这个巨大圆球的核心深处就一直在持续不断的产生核聚变反应，因此才产生了光和热，照耀着整个太阳系。

　　地球上如何获得这种相似的环境呢？目前有两个办法，一个就是我们常常听说的托卡马克装置，其实就是把温度极高的等离子体约束在一个环装容器里发生核聚变反应。其实地球上没有任何物质能承受那么高的温度，因此必须用磁场把带电等离子体约束在这个环形容器之中，这些高温等离子体不能触碰到容器壁，碰了就化了。

　　我国合肥的“东方超环”就是这样一个托卡马克装置。美国田纳西州的橡树岭国家实验室也有一个，这种技术路径就叫“磁约束”。

　　另外一种不同的方式就叫做“惯性约束”。比如劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火装置和我国的神光计划。其实就是把核材料封在一个非常小的金属容器里，容器里有个燃料球。国家点火装置是把192束世界上最高功率的激光汇聚到这个容器上。


　　在激光迸发的一瞬间，光束照射进容器里，产生大量X射线，聚焦到燃料小球上——小球表皮被烧得蒸发了，蒸发速度太快，向外喷射出了大量的气体，向外喷射产生的的反作用力，把核材料瞬间挤压进了一个高温高压的状态，于是核聚变反应就开始了，释放出巨大的热量。

　　不管怎么说吧，目前的所有可控核聚变装置都需要输入巨大的能量才能维持运行。输出的能量不能超过输入的能量，那就得不偿失，不能进入实用阶段。所以如何提高输出能量，就成了人类追求的目标。

　　03

　　美国能源部公布的成就

　　有了前面的基础知识，我们就能解读美国能源部公布的这个重大成就了。劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火装置向实验目标输入了2.05兆焦的能量，获得了3.15兆焦的能量。产生的能量比输入的要高了50%，就技术来讲，这的确是一个非常重要的突破。

　　2021年，美国人曾经实现了70%的收益，获得了1.37兆焦的输出能量。尽管仍然是入不敷出，也已经是最高记录了，但是他们后来再也无法重复这一次实验的结果。毕竟核聚变的条件非常苛刻，稍有一点误差，参与核聚变反应的材料稍微大一点折扣，就会降低输出。

　　直到最近，科学家们改进了实验装置，才实现了这个突破。所以，实验室的上级领导美国能源部才乐呵呵的向大家报喜。开始畅想未来受控核聚变的美妙前景。

　　04

　　算账

　　但是，我们也要稍微多算一点账，美国人实现的是192个巨大的激光器同时向一个金属圆筒容器发射。圆筒被加热到约282万摄氏度，产生X射线内爆，加热并压缩氘氚燃料，引发核聚变。计算输入能量时候，他们只计算了激光束的总能量。但是，激光器花费了多少电，他们可没算哦~

　　激光器的发光效率大概只有1%左右，也就是说要产生2.05兆焦的光束，起码要花费205兆焦耳的电力。要是算总账，美国人取得的成就远远不够！

　　难怪他们说，下一步就是要朝输出能量大于输入能量百倍的里程碑目标努力。当聚变反应的输出能量大于输入能量百倍时可以探索建立商用电站。废话，即便是提高一百倍，也依然只是收支持平嘛，大概勉强能输出一点能量。

　　也就是说，虽然已经取得了前所未有的好成绩，但是距离真正意义上的收入大于支出，还差得远呢~

　　第二个问题可能更要命。我们再来回顾一下这个实验是怎么做的？192支激光器对准中心的小金属桶，里面有个燃料球，外边抱着一层特殊材料做成的皮。激光一发射，砰的一声，实验完成。game over了。这是持续性实验吗？这摆明了就是一枪头买卖嘛。这种模式是否有可能转化成商业能源装置呢？够呛~难道电站隔一阵子打一枪？不行哦，模式上没有实用性。

　　说到底，国家点火装置的本质是核试验装置，最早建立的初衷是为了研究如何用原子弹以外的手段来点燃氢弹。从这个逻辑来看，那这一切都顺理成章的事儿了。至于受控核聚变研究，那只是搂草打兔子，捎带脚的事儿。

　　真要获得持续的能源，托卡马克装置应该比这种激光装置要更靠谱儿一点。当然，这种前瞻性的战略研究还是不能放松。我国在这方面也不落后，甚至早在有些领域还是领先的，只是我们比较低调罢了。能不说的就不说了。

　　05

　　另类方案

　　早在1977年，苏联氢弹之父萨哈罗夫就曾经设计过一个地下装置，就是为了收集利用氢弹爆炸产生巨大的热量。美苏两国可没少在地下搞核试验，相关的技术他们是轻车熟路。氢弹爆炸在地下产生的热量，可以当做“地热”资源来对待，可以利用金属钠或者是金属铅把热量导出来。

　　还真的有人算过一笔账，假设选1万吨TNT当量的核弹，大概每天炸6次到12次。发电的价格有可能比烧煤还便宜点呢。在我看来，这才是真正实用的技术，可惜这事儿没人敢干。毕竟联合国的五大常任理事国已经很久都不做地下实验了。没人敢为了那点能源破这个戒。

　　总之，这一次美国人的确是前进了一大步，但是前边也许还有1000步要走。到现在为止，我们依然没办法实现有商业价值的受控核聚变。至于到什么时候才能实现可控核聚变的商业化呢？也许还要50年，50年后你要再问这个问题，答案可能依然还是50年。小朋友们，未来就靠你们啦~

（编辑：武陵站长网）

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