世界今亮点！老美宣称人造太阳工程取得重大突破，是真突破还是假突破？

2022-12-17 21:49:32 来源：科普中国

简单地说，人造太阳就是可控核聚变，是人类将太阳发光发热的机制在地球上加以运用。

(相关资料图)

近日，媒体热炒，老美的可控核聚变取得重大突破。对于这个“重大突破”说法，一些人向灯向火说法不一，主要有两个极端：一种是认为突破非常重大，可控核聚变很快就要普照天下了；另一种是嗤之以鼻，认为那么芝麻绿豆点大的“突破”就吹到天上去了，实在是小题大做。

那么这次突破到底是真突破还是假突破，有多大意义呢？现在我就来通俗地说说，让所有关心这件事的瓜友们弄个明白。

先简单说说啥叫核聚变和可控核聚变

核聚变又叫核融合，是轻原子在极端条件下融合在一起，同时释放出巨大能量的过程。太阳核心的核聚变是氢原子不断融合成氦原子的过程。这是迄今为止人类认识到最高效清洁的能源，科学家们一直想将太阳这种可控核聚变的发光发热机制，在地球上实现，因此又叫人造太阳。

核聚变其实早就有了，就是氢弹爆炸，这种核聚变方式在上世纪五十年代就有了，象征着人类开始掌握核聚变的巨大能量。但氢弹爆炸是不可控的，只是一瞬间的威力，虽然惊天动地，却只能用于战争和威慑，并没有给人类社会生活带来什么好处。

于是科学家们开始研究如何让这种巨大能量缓慢释放，也就是所谓实现核聚变的可控性，这样才能造福社会和人类。现阶段核聚变的原料采用的是最轻的元素氢元素的同位素，主要为氘、氚。氘在地球上储量非常丰富，每升海水的氘提取出来，通过核聚变产生的能量就相当于300升汽油。

可见，如果可控核聚变开发成功，核燃料在一个相当长时期是取之不尽用之不竭的，这样就能够完全缓解能源危机。而且可控核聚变是完全无污染的清洁能源，采用这种能源，可以大大降低碳排放，修复地球生态。

实现可控核聚变的条件

但这样一种优质高效的能源，要真正推上运用却很难很难，主要是在地球上实现核聚变，没有也无法制造出太阳核心3000亿个大气压的极高压力，为了维持核聚变持续不断进行，只能提升等离子体温度，这样就需要1亿度高温才能运行。

由此就产生了三大困难：一是采用什么样的容器来约束这样高温的等离子体；二是如何让高温等离子体持续不断的燃烧；三是如何让高温等离子体的能量输出来，且输出能量大于输入能量。

地球上是没有任何材料能够耐受1亿度高温的，甚至万分之一也达不到，熔点最高的单金属是钨，3380℃就融化了；熔点最高的合金是铪，4215℃就融化了。这些温度与1亿度相比，实在太渺小了，渺小得只有不到2万分之一。

科学家们探索出要约束如此高温的等离子体，只有三种方式：一种是重力约束，也就是像太阳这样的巨大恒星，依靠自身引力，也就是依靠3000亿个大气压，将核聚变束缚在核心。这种方式在地球上是无法实现的，只能另辟蹊径。

第二种就是磁约束。因为等离子体是带电的，具有一定速度的等离子体进入磁场后，会受到沿磁力线的约束，在磁场中做螺旋式回旋运动。这样通过人工制造一个强大的磁力阱，就能够将高温等离子体约束在这个“陷阱”中，不接触任何容器。

第三种约束就是惯性约束。这种方法是利用粒子的惯性作用产生的强大压力，实现核聚变反应的一种方法。世界上目前比较经典的是采用高能激光照射极小的靶丸，让靶丸中核聚变原料迅速消融向外猛烈喷射，巨大的反作用力形成向内极大压力的冲击波，激发靶心中的氘和氚发生核融合，从而释放出巨大能量。

世界上开发可控核聚变的方式和进程

世界上主流可控核聚变一直沿用前苏联发明的托卡马克装置，开发进展极为缓慢。前苏联从上世纪五十年代开始，就发明了托卡马克装置，这种装置采用的是磁约束，就是将高温等离子体约束在装置腔膛中的磁阱里。

七十年过去了，托卡马克装置一再改进升级，在欧美俄中日韩印等国一直在试验中，进展艰难而缓慢。中国作为第四个拥有自主设计的托卡马克装置的国家，在低温超导强磁场等方面上了新的台阶，实现了7000万度长脉冲等离子体维持运行1056秒，等离子体温度1.2亿度运行101秒的世界领先成就。

欧洲日本等国的磁约束核聚变也不断取得进展，但这些进展都还停留在如何将高温等离子体持续燃烧的时间延长上，也就是上面说的第二个难题。而第三个难题，如何将核聚变的能量输出来，且要输出大于输入，一些研究还几乎没有涉及。

这就是所谓的“Q值”。

Q值就是输入能量与输出能量之比，Q值越大，说明核聚变得到的效率越高，一般认为，要Q值大于10时，也就是输出能量是输入能量的10倍以上时，可控核聚变推上商业运用的时机才算成熟。

美国、欧洲、日本等国的托卡马克装置实验一直在Q值上下功夫，但得到的数值一直停留在上世纪90年代。联合欧洲环JET曾经达到Q值0.65，持续时间2秒；1997年12月，日本曾宣布在自己的JT-60上成功进行了氘-氘反应实验，Q值超过了1.25～1.3。但这些消息发布后，几十年过去了，再也没有下文。

中国的EAST全超导托卡马克实验装置虽然时不时有一些重大进展的消息，但在Q值问题上没有任何披露，只有一个规划，在2025年实现Q=5，2030年实现Q=10，并初步达到稳态发电1GW（100万千瓦）。但现在达到了多少呢？不知道。

一直到今年五月，一家叫First Light Fusion的英国公司另辟蹊径，采用惯性约束机制取得了可控核聚变的新突破。这是通过一种高速弹射技术，将加速到10～20倍音速的弹丸射向嵌入氘燃料芯的小块，形成崩溃冲击波，瞬间压力达到10亿个大气压，导致燃料块高速自爆，实现核融合。

这是在过去采用昂贵激光实现惯性约束的一种新突破，将大大降低未来可控核聚变的成本，公司扬言，在2030年有可能开办实验工厂产生电力，但这个突破依然没有产生Q值。

老美的这次“突破”，搅动了可控核聚变Q值几十年没动静的一潭死水

美国能源部12月13日宣布，其坐落在加州的所属劳伦斯利弗莫尔国家实验室实现了“核聚变点火”，称这一“重大科学突破”将为国防及清洁能源未来发展奠定基础。这个调门非常高，说明老美对这次“突破”认定很高。

这次突破具体是怎样的呢？事实上这是在研究可控核聚变方式上的一次非主流突破，采用的依然是传统的激光惯性约束方式。具体说来，是在一部叫做“国家点火设施（NIF）”的装置上，采用192台激光器，将2.05兆焦耳的能量输送到一粒豌豆大小的金胶囊上，这个胶囊里装有氢的同位素氘和氚的冷冻颗粒，在巨大能量轰击下，这个胶囊舱室瞬间坍塌，高温高压导致了核融合反应，由此产生出3.15兆焦耳的能量，也就是实现了Q值≈1.54。

这当然是一个巨大突破，在可控核聚变开发过程中具有里程碑意义。但由此认为可控核聚变距离进入民用已经很近了，就大错特错了。事实上，做出这项研究成果的科学家们也并没有忘乎所以，他们警告说，尽管已经取得了突破性成功，但实现可控核聚变目标的路还很长，很艰难。

要知道，这个突破还只是实验室计算的纯输入和纯输出之比的Q值，也就是发射激光的能量和得到核聚变能量之比。相比这套耗资35亿美元，足足有3个美式足球场大的装置，192台巨大能量的激光器，照射的仅仅是一颗豌豆大的核聚变腔囊，输出的那一点点能量实在可怜，与整个巨大装置所消耗的人财物是无法类比的。

而且，NIF只是一个实验装置，并不是一个聚变能装置，要将这种核聚变反应方式转化成真正的核聚变能，就需要建造出真正的核聚变能发生装置。

综上所述，我的观点是，这次突破的意义是重大的，即便具有里程碑式的意义，但在可控核聚变真正推上民用的征途上，也还只是跨越了小小一步，未来的路还很漫长和很艰难。

那么，未来的Q值突破，并且真正推上商业运用的会是谁呢？在这些科学技术的较量中，最终花落谁家？我很期待中国真的像规划那样，在2030年达到Q值=10，并实现稳态发电1GW，这样的话，很可能中国会率先点亮可控核聚变第一盏民用之灯。

但最重要的不是说，更不是自嗨，而是谦虚谨慎持续地努力。因此，我们既要看到和承认人家的进步，扬己之长克己之短，才能最终实现超越。一切科学进步都是人类文明的进步，我期待着中国的进步，也乐意看到世界的进步，这就是我的态度。

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关键词：等离子体巨大能量托卡马克