核聚变发电？太天真了
本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：人马座A，原文标题：《核聚变净产能0.3度，史上首次扭亏为盈》，题图来自：《钢铁侠》
12月13日，美国那边传来了一个核聚变领域的大新闻——劳伦斯·利弗莫尔实验室的“国家点火装置”取得了前所未有的重大突破。
在实验中，这个装置输入了总能量为2.05兆焦的激光，引发了氘氚聚变反应，最终输出了3.15兆焦的能量。
别看输出能量没多少，连1度电都不到（1度电 = 3.6兆焦），但输出能量与输入能量的比值Q达到了1.54，意味着输出能量比输入能量大了50%还多。
而在此之前的几十年里，人类进行过无数次核聚变试验，能量方面全都入不敷出。（好吧，氢弹除外……）
这是史上第一次，人类在可控核聚变试验中做到了Q>1，实现了能量正增益！
美国“国家点火装置”的前置放大器支撑结构 |?Damien Jemison/LLNL
核聚变，未来能源终极梦想
核聚变，顾名思义，就是两个或多个较轻的原子核结合，生成1个较重的原子核。
在太阳内部，就时刻进行着四个氢原子核（质子）聚变成一个氦原子核的反应，将原子核中的一部分质量转化为能量，最终以光和热的形式释放出来，普照万物。
核聚变燃料可以从海水中提取，号称“取之不尽，用之不竭”。如果能把核聚变反应搬到地球上来为我所用，人类将一举解决未来的能源问题，并有希望减少对化石燃料的依赖，扭转全球气候变暖的趋势，前景十分美好！
早在70年前，人类就在地球上成功实现了核聚变——1952年，史上首颗氢弹试爆成功，释放出的能量超过1000万吨TNT同时爆炸。但那些能量无法被人类利用，因为那是不可控的核爆炸——总不能随随便便就炸颗氢弹拿来发电用吧……
1952年，首颗氢弹试爆形成的蘑菇云 |?美国能源部
想要实现人类未来能源的终极梦想，单把核聚变搬到地球上还不够，聚变能量必须以较温和的方式源源不断地释放出来，实现所谓的可控核聚变才行。
为此，人类努力了几十年，开发出了多种可控核聚变试验装置，通过不同的途径达成并维持类似太阳核心处的极端环境——那是核聚变反应得以发生的先决条件。
毫无疑问，这是需要消耗能量的。理论上说，只要由此引发的核聚变反应能够产生更多的能量，完全补偿启动核聚变所消耗的能量，让可控核聚变自我维持下去，那这件事就算成了。
现在，你大概可以理解，“国家点火装置”做到Q>1，有多么非同小可了。美国能源部对此也极为看重，甚至在正式发布成果之前还专门开了媒体吹风会。
那么，这个“国家点火装置”是何方神圣？实现了能量正增益之后，核聚变发电是不是就近在咫尺了呢？
惯性约束激光核聚变原理 |?美国能源部
NIF，美国国家点火装置
美国“国家点火装置”，全名叫National Ignition Facility，缩写为NIF，1997年开建，2009年建成，是一种惯性约束激光核聚变试验装置。
它所实现的核聚变反应，称为氘氚聚变。
地球上很难实现太阳核心处那种高温高压高密度的环境，太阳内部四个质子聚变成一个氦核的过程也很复杂，条件比较苛刻。相比之下，氘氚聚变的要求要稍低一些。
氘氚都是氢的同位素：氘原子核是一个质子加一个中子，氚原子核是一个质子加两个中子。它俩聚变会生成一个氦原子核，并释放出一个中子。
氢的3种同位素：氕、氘、氚，其中氕最为常见
要想实现氘氚核聚变同样不易。两个原子核都带正电，距离越近，电荷产生的排斥力就越大。要让它们发生聚变，距离需要接近到10-15米，也就是一根头发丝儿的500亿分之一，温度也必须要达到上亿度才行。
有多种方法可以产生这样的极端环境实现可控核聚变，比如磁约束（即托克马克）、仿星器等。其中最为简单粗暴的，当属NIF所采用的惯性约束。它的原理很简单，就是把很多路强激光束聚焦在一个特别小的点上，从而引发核聚变。
NIF装置的靶室 |?LLNL
NIF装置使用了192路紫外激光，一次能打出2.05兆焦的能量，大概相当于0.57度电。看起来并不大，但这是在3纳秒（1纳秒 = 1x10-9秒）之内发出的脉冲，瞬间的功率相当于美国所有电站功率的大约1000倍。
在这些激光束所聚焦的地方，放置了一个黄金制成的“黑腔”。黑腔的中心就是靶丸，直径只有2~3mm。
NIF装置的靶丸 |?Damien Jemison/LLNL
192路激光分成上下两束射进黑腔，产生强大的X射线，将靶丸的外壳瞬间变成等离子体。
向四周飞散的离子产生反作用力，以400千米/秒的速度极度压缩靶丸装有氘氚燃料的内层，达到上亿度的高温和数千亿个大气压。
然后，“呯”的一声，在靶丸中心区域引发核聚变。
所谓“惯性约束”，是指靶丸外壳和燃料向内压缩的过程，会在惯性作用下，将高密度状态维持一段时间。
激光射入黑腔，X射线照射靶丸 |?Jacob Long/LLNL
这个过程说起来容易，做起来却极难。
要产生如此高能量的激光束，需要极为庞大和复杂的装置；192路激光要恰好会聚在黑腔的两端；产生的X射线要均匀地压缩靶丸；中心区域聚变开始后，要在靶丸飞散之前，让尽可能多的燃料发生聚变；等等等等。
这里的每一项，都是高科技，都是拿钱烧出来的。
而美国这次实现的能量正增益，指的就是靶丸核聚变产生的能量已经大于产生激光所消耗的能量，满足了核聚变反应能够“自持”的先决条件。
这确实算得上是一项里程碑式的成就，那是不是说明，核聚变发电就快要实现了呢？
还差得远！
核聚变发电？不，是你天真了
简单来说，NIF就不是为了核聚变发电而设计的。
想要真正实现核聚变自持，需要连续不断地更换新的黑腔和靶丸，实现每秒10次的频率，并把聚变产生的能量转化成电能，再用它来发出激光。
而NIF的惯性约束聚变却是一锤子买卖，每进行一次试验后，需要再过4-5个小时，才能开始下一次。更何况，它折腾完一次核聚变，产生的能量都不到1度电，和梦想中的核聚变发电差距实在太大了。
另外，如何把核聚变产生的能量收集起来也是个大难题。
氘氚聚变会产生一个14.1兆电子伏的快中子，聚变能量有80%都在这个快中子的身上。要想捕获这部分能量很不容易，因为快中子可以很轻易地穿透金属材料而逃走，需要在外面设置中子屏蔽和冷却装置，并用产生的热量来发电。
这些能力都不是NIF所能具备的，因此把能量转化成电能根本无从谈起。
技术人员进入NIF靶室内部进行检查和维护 |?Philip Saltonstall/LLNL
而且，就算假设NIF能够连轴运转，就算真能实现能量百分百转化为电能，它还存在着一个“致命缺陷”，那就是——
要产生2.05兆焦的激光，所耗费的能量可远远不止2.05兆焦。各种设备都需要要冷却，再加上激光的损耗，消耗的电能比这0.57度电可要大得多。
因此即使NIF宣称实现了Q=1.54，那也只是一个理想值，它仍然实现不了自持核聚变。
要知道，NIF装置可是个烧钱无底洞，12年的建设共耗资35亿美元，快赶上一艘核动力航母了。如此一来，你大概会产生这样一个疑问：为了这么一个不能发电的核聚变装置，美国人为什么投钱投得这么大方呢？
奥秘就在于NIF模拟核试验的能力。
NIF装置的黑腔和靶丸结构其实挺像一枚微型氢弹的。在大多数国家已经签署《全面禁止核试验》条约的大背景下，使用所谓的“科学装置”来变相地进行核试验，才是NIF更重要的使命。
NIF的激光传输系统 |?Jacqueline McBride/LLNL
这次NIF实现能量正增益，在武器层面上会带来很大好处，有助于设计更大当量或者更加小型化的氢弹。
而人们心心念念的核聚变发电，想要真正实现，恐怕还有待时日。
再等50年？40年？30年肯定要的
NIF装置实现Q>1，是一项货真价实的重大突破，但惯性约束聚变装置的固有特点，使它在持续发电方面有着天生的劣势。
相比之下，另一种磁约束聚变装置就比较有优势了。例如，正在建设中的“国际热核试验堆”ITER，目标就是Q>10。
ITER是一个磁约束聚变装置，即“托克马克”。它的原理是把极高温度的等离子体用磁场约束在一个环形腔室内，并维持足够长的时间。
这样一来，氘氚燃料就能在腔内持续聚变和输出能量，而腔室外面设置的含锂包层则可以吸收中子能量并转化成热能。
ITER的设计聚变功率是50万千瓦，相当于一座小型火电厂，但ITER仍然不能发电，只会用于测试聚变能量的转化。
ITER结构原理示意图 |?ITER
但作为一个多国联合开展的项目（我国也有参与），ITER最大的问题是“拖延症”。由于种种原因，ITER的进展极其缓慢，建成时间一拖再拖。目前的说法是2025年建成，不过说实话，我看悬。
而在ITER成功之后，要真正实现发电还要建设聚变示范堆，实现商用估计还要等更久。所以人们说“核聚变发电永远还需要再等50年”，并不是一点道理也没有。
现在，惯性约束的NIF装置实现了Q>1，相信对ITER的建设也是一个刺激。
可控核聚变一直存在惯性约束和磁约束这两大路线之争，美国一直偏爱惯性约束，这可能与它对模拟核试验的兴趣有关，欧洲和日本就更倾向于磁约束的托克马克装置。
或许，NIF此次取得突破，能够倒逼ITER加快进度，把“50年”缩短成40年甚至30年，也不一定。（但肯定不可能再短了……）
对于想要和平利用核聚变的人类来说，这也能算是大功一件了吧。
本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：人马座A
