美国核聚变达成正效益，人类有望获得"能源圣杯"？-简讯

美国能源部即将发表重大声明，人类或首次实现核聚变反应净能量增益，这意味着什么？

意味着惯性约束聚变发电，人类迈出了一大步。

前方最少还有1000步，但也可能是+∞步。

(资料图)

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的惯性约束聚变是什么？

本质上相当于一场小型氢弹爆炸。

氢弹爆炸的原理，其实就是通过原子弹产生惯性约束聚变。

上方的小型原子弹内爆后，会产生大量的X光射线，X光射线会在蛋壳内反射汇聚，照射到包裹氢同位素聚变燃料的外壳（聚苯乙烯泡沫）上。

上亿℃的高温，直接让聚苯乙烯泡沫等离子体化，其极速膨胀，从而向内对氢同位素产生极的压强和温度，突破聚变材料强相互作用力距离，从而最终点燃引爆。

氢弹诞生之时，就有人想过聚变发电。

最初科学家想到的就是核爆发电，而且有的具有可行性。

例如，1977年，苏联科学家萨哈洛夫提出的核爆舱发电：

这设计风格符合苏联的硬核和奔放。

但实际，这是一个理论可行的方案。

根据科学家的数据推算，建造小型这样的发电站是足够安全的。需要克服的主要两个：

降低爆洞工作温度降低冲击波破坏作用

传热方面，前者可以用钠和钾的混合物。后者则可以用花岗石作基岩，不锈钢作内衬[1]。

考虑到核扩散（《核不扩散条约》限制了氢弹爆炸发电的利用）和其它不安定因素，目前并没有国家真正实施这样的计划。

所以，才有美国为首的国家率先启动了小型的惯性约束聚变，现在中国这方面其实已经做到了仅次于美国。

点燃原理，几乎和氢弹引爆没啥区别。

利用高能X射线照射聚变靶，加热聚变靶表面物质，令其等离子体化。

等离子体化的高温高压物质，压缩氢同位素，使得聚变材料密度达到铅密度20倍（超过200g/cm^3)，温度达到1亿℃，并最终点燃氢聚变。

由于氢聚变会释放庞大能量，所以这个靶其实很小。

有多小呢？

如图。

比常见的小钢珠还要小。

惯性约束聚变玻璃微球：内可填充氘氚气体或氘氚冰

氢弹我们还能用原子弹来来产生高能X射线，激发等离子体来引爆。对于这么小的聚变材料，自然不能用核弹了（核弹具有最小的临界质量限制）。

那应该如何产生点燃的高能X射线呢？

现在主流的就是用激光。

不过，为了制造这个高能X射线，付出的代价却是极高。

我们以美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)为例。

为了制造高能X射线，需要先让大量的激光射入一个专门制造的镀金黑腔内。

激光在壁内不断反射加热，最终产生X射线。

X射线最终点燃提前放置在黑腔内的微球。等离子体化的微球表面瞬间膨胀，使得聚变材料在几纳秒内产生3500~400km/s的速度， 朝着内部撞击，产生数百GPa的压强，并最终发生核聚变[2]。

由于所有高能激光需要精准地入射，所以需要精准控制。

这是定位系统：

同时还需从配一个庞大的靶室，当初修建靶室的时候，由于过大，不得不分段建造：

然而这么大的靶室仅仅只是庞大点火实验室的一部分：

包括外部建筑面积的话，足足有三个足球场大小

两边的激光产生后，从蓝色到红色，最终进入靶室。

你没有看错。

如此庞大的系统，仅仅只是为了引爆那么一颗小小的微球。

这个装置单次打靶输出功率达到400~500MJ。

2021年通过477 MJ的电能，产生1.8 MJ的紫外激光，最终得到了1.3 MJ的聚变能。然后接下来的一年，竟然无法完成重复试验，期间竟然只能产生200~700KJ的聚变能。直到解决了一些基础物理问题后，才在2022以后，确定了它的可重复性[3][4]。

从历年来该装置的聚变能变化，可以直观看出2021年的断崖式飞越。

2022的这次突破，本质上还是2021技术突破打下的基础：

使用422MJ的总电能，激发192 台激光器，最终输入2.1MJ的激光，产生2.5MJ的聚变能， 达到Q＞1（其实仅仅只是激光进入黑腔之后Q＞1，完全没考虑总用电量）。

激光器的效率本身是1~5%，但很明显，在实际应用中，加上红外线到紫外线的转化损失，NIF 的总激光输入甚至没达到1%，堪堪在0.5%上下。

考虑发电时，需要通过热交换器，利用熔融物质把热量交换出去之后，才能烧烤开水发电。按照目前的人类技术，它的发电效率是很难超过40%。

值得说明的是，这还不是稳定的，并不是每次都能产生这么多，偶尔可能只产生0.1MJ。

即便我们往高了说，假设50%的稳定发挥。

那么，按照目前的投入和产出，可能平均1000MJ最终才能产生1MJ。

也就是说，即便最理想的情况，人类距离最初级的惯性约束发电条件，都还有1000倍的距离。

未来要实现惯性约束聚变发电，至少需要解决这些技术：

1、点火效率进一步提升，达到理论上输入3MJ产生30MJ的效果，也即益10倍。2、激光器效率飞跃式提升，例如二极管技术理论上限是20%，考虑到损耗，我们预期实际上限是16%，加入激光之间的转化损失稳定到20%以下，那么最终能达到12.8%。这部分再增益10倍，那么多出28%，那么就真的可以实际运用发电了。3、装置打靶效率问题，你弄了三个足球场，最终才打靶这么一个小点，还需要考虑黑腔置换，激光器散热，靶室内热量传输发电问题。由于聚变效率一般只有10%，还需要考虑氘氚的回收。如何设计一个全自动置换黑腔、回收氘氚，同时转化输入输出热熔物质发电，还要保证高效率，是这个系统必须解决的技术问题。

第1点，当点火能量提升了，微球聚变材料面密度再提升，自然就能做到更充分的聚变。这个随着技术发展，是可能做到的。

第2点，这是最关键的技术，达到20%对于现今人类犹如登天。10%还是有希望的。但如果只有10%的话，就无法达成总正收益，无法去发电。从目前来看，做到超过10%，就有点赌运的趋势了。

第3点，由于现在很明显还只是一个很简陋的，大力出奇迹的装备。任何发电所需要考虑的技术难题，现在都很难去考虑。但其实只要第2点能做到，第3点弄得勉强一点，也有商用的希望。当然一开始因为技术限制，可能这种电力会过于昂贵。

总的来说，对于惯性约束聚变发电，我们可能距离实现，最低还有1000倍的距离。但也有可能是一个无限远的距离。尤其是激光效率难以得到提升的话，就会成为一个死胡同。

总的来说，微型惯性约束聚变发电，间接条件太多，损耗环节过多。甚至一些损耗，是哪怕达到技术天花板也是存在的。

所以，与其弄低效率的微型核爆发电（哪怕最终达到每秒钟一个靶点，按照高的30MJ正收益10MJ来算，正收益功率也才10^7W，甚至不到三峡大坝的千分之一），还不如用地下核爆舱直接粗暴的方案。

应用经验告诉我们，一般越直接，越有效率。

环节越多，损耗越多，越难有廉价的实际运用。

最后不得不说的是，惯性约束聚变的技术突破，即便最终不能发电，在其他方面具有深远影响的。

这玩意儿可不仅仅能拿来发电。

还可以模拟核爆炸，研究核武器性能。进行高能物理实验，模拟超新星爆发、恒星和巨大行星内核的环境，探索宇宙秘密。

除此之外，还能促进材料和激光技术的发展，从而在航天、军事上有着更加广阔的运用。

参考

^中国工程物理研究院：核爆炸的和平利用^Zylstra A B, Hurricane O A, Callahan D A, et al. Burning plasma achieved in inertial fusion[J]. Nature, 2022, 601(7894): 542-548.^Zylstra A B, Kritcher A L, Hurricane O A, et al. Experimental achievement and signatures of ignition at the National Ignition Facility[J]. Physical Review E, 2022, 106(2): 025202.^Abu-Shawareb H, Acree R, Adams P, et al. Lawson criterion for ignition exceeded in an inertial fusion experiment[J]. Physical Review Letters, 2022, 129(7): 075001.

关键词： 等离子体