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美國快造出“小太陽”了，中國還需要多長時(shí)間？
誰最終點(diǎn)燃人類未來的“太陽”，尚未可知！
正解局出品
(資料圖)
不得不承認(rèn)，在世界核技術(shù)領(lǐng)域，美國一直處于領(lǐng)先地位。
就在最近，美國又在核聚變技術(shù)上邁出重要一步。
前段時(shí)間，美國能源部宣布，加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），第一次在核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生“凈能量增益”，也就是聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。
看起來只是小小一步，但卻有著非凡的意義。
勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室
根據(jù)公布的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。
人類探索核聚變歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，但長期以來聚變反應(yīng)總是無法實(shí)現(xiàn)凈能量增加，也就是無法控制核聚變時(shí)所消耗的能量。
簡單來說，美國這次實(shí)驗(yàn)成功，意味著人類在可控核聚變領(lǐng)域有了重大突破。
可控核聚變一直是人類的夢想。
甚至有人認(rèn)為，人類未來有了真正清潔、無限能量的有效能源。
不少自媒體為此歡欣鼓舞，甚至將這一實(shí)驗(yàn)稱為人類“盜火”時(shí)刻、人類摘下清潔能源“圣杯”。
如果美國這次實(shí)驗(yàn)沒有造假，那確實(shí)是人類在核聚變領(lǐng)域的偉大突破。
但是，美國在該領(lǐng)域取得的這項(xiàng)重大突破，是否意味著人類不久就能用上取之不盡用之不竭的能源？
又或者說，實(shí)驗(yàn)的背后，只是為了解決能源危機(jī)這么簡單嗎？
可能很多朋友有些懵逼，美國這次實(shí)驗(yàn)到底是什么情況，什么是核聚變，不是造原子彈吧？
這里首先介紹下什么是核裂變，什么又是核聚變。
核裂變與核聚變的對(duì)比
一般來說，核裂變就是鈾235或者钚239等重原子核裂變釋放能量，比如原子彈以及核電站發(fā)電，都是通過核裂變產(chǎn)生能量。
核聚變就是較輕的原子核聚變成較重的原子核，一般用氫的同位素氘或者氚聚變釋放能量。
核聚變是宇宙中最常見的一種能量模式，這么說吧，太陽就是通過核聚變產(chǎn)生能量。
已知的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，核聚變比核裂變釋放的能量要大，污染更小；且核裂變使用的鈾等材料，儲(chǔ)量有限，核聚變無需擔(dān)心材料儲(chǔ)量，只需要“激活”就能持續(xù)輸出能量。
有人可能要問，既然核聚變這么多好處，那為何各國還要搞什么核電站，直接采用核聚變獲取能量不就好了？
想法很美好，可實(shí)現(xiàn)太困難。
因?yàn)榭煽睾司圩冃枰獦O端高溫高壓才能使氘或氚的原子核克服電磁斥力，在足夠近的距離發(fā)生碰撞聚變成氦，才能釋放能量。
真正的困難在哪？
核聚變是高溫高壓環(huán)境下，氘或氚發(fā)生聚變
注意前面說的“可控”二字，其實(shí)獲得足夠高溫高壓讓氘或氚發(fā)生聚變并不難。
用原子彈引爆核彈，產(chǎn)生的威力足夠“一發(fā)入魂”。
不過，這樣的結(jié)果就好比為了燒開一壺水，卻把鍋爐房給炸了。
因此，人類已有實(shí)驗(yàn)室想創(chuàng)造出上億度的高溫高壓環(huán)境已相當(dāng)不易，更難的是如果要利用核聚變發(fā)電，就必須想辦法持續(xù)安全地維護(hù)這么恐怖的環(huán)境，目前沒有任何材料能滿足這一需求……
科學(xué)家們于是想到了真空強(qiáng)磁場，靠磁場約束住超高溫等離子體不擴(kuò)散開，這就是核聚變領(lǐng)域普遍使用的“托卡馬克”磁約束裝置原理。
可問題又來了，強(qiáng)磁場倒是有可能充當(dāng)核聚變的有效“容器”，但架不住維持“托卡馬克”磁裝置的電力可能要比核聚變本身產(chǎn)生的能量還要多。
不過，雖說是虧本買賣，可為了未來的效益，科學(xué)家們只能硬著頭皮繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。
“托卡馬克”磁約束裝置結(jié)構(gòu)圖
目前比較成熟的“托卡馬克”磁約束裝置，已經(jīng)能做到輸出/輸入能量的Q值為0.6左右，雖然距離1的目標(biāo)還差點(diǎn)，但人類一直在努力。
其實(shí)早在1997年，日本就已宣布在“JT-60型”托卡馬克裝置上，最高Q值曾超過1.25。
可惜持續(xù)時(shí)間太短，只有1秒，屬于曇花一現(xiàn)的結(jié)果。
如果只是算持續(xù)時(shí)間，2021年底，中科院合肥物理研究所創(chuàng)造了世界上核聚變最長時(shí)間1056秒，打破了美國創(chuàng)造并保持的440秒這一世界紀(jì)錄。
位于合肥的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置
不過，美國這次實(shí)驗(yàn)的意義在于，他們宣布把核聚變的Q值搞到了1.5，持續(xù)時(shí)間超過5秒，實(shí)現(xiàn)了輸出能量大于輸入能源。
存續(xù)時(shí)間短是短了點(diǎn)，可從科技的角度來說，核聚變的能量比提升了，確實(shí)很有意義。
但從經(jīng)濟(jì)角度來說，這次試驗(yàn)的象征意義又大于實(shí)用意義。
有英國同行就指出，美國的這次核試驗(yàn)實(shí)際產(chǎn)生的能量“只夠燒開10壺水”。
這或許屬于同行比較酸的看法，但人類任何重大科技的發(fā)展都是起于微末之時(shí)，LLNL的這次實(shí)驗(yàn)，確實(shí)可以算人類能量利用史上一次里程碑式的革命。
那到底什么時(shí)候可以真正實(shí)現(xiàn)人類清潔能源的利用呢？
負(fù)責(zé)本次實(shí)驗(yàn)的LLNL主任Budil博士表示，要實(shí)現(xiàn)核聚變的商業(yè)化，“可能還要數(shù)十年的時(shí)間，但是我想應(yīng)該不是60年，也不是50年……”
可問題是，按照本次實(shí)驗(yàn)的過程，哪怕50年內(nèi)能實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化應(yīng)用，都算快的了。
原因很簡單，LLNL這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)完全是在不考慮經(jīng)濟(jì)代價(jià)的前提下取得的。
這里還得普及下，人類目前實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化，基本就是兩個(gè)途徑：一類是磁約束核聚變，另一類就是此次LLNL的激光核聚變。
從安全和經(jīng)濟(jì)的角度來看，全球科學(xué)界公認(rèn)，包括中國正在研究的托卡馬克裝置磁約束核聚變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術(shù)途徑。
至于激光核聚變，依然是成本更為高昂的實(shí)驗(yàn)手段。
美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF）示意圖
事實(shí)也是如此，按照LLNL公布的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，實(shí)驗(yàn)是“用192束激光束，向一個(gè)微型燃料顆粒輸送了2.05兆焦耳的激光能量，點(diǎn)燃核聚變?nèi)剂?，最終產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出”。
但是2.05兆焦耳的激光能量來自哪里？
答案是從電網(wǎng)吸收200-300兆焦耳……
很明顯，這就是一次“撇開實(shí)際成本不談”的理論性實(shí)驗(yàn)，真正的輸出能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸入能量。
而且NIF的實(shí)驗(yàn)還有個(gè)要命的缺點(diǎn)，即便獲得足夠多的激光能量，也需要間隔數(shù)小時(shí)才能發(fā)射幾秒，設(shè)備和儀器無法支持短時(shí)間、多頻次、連續(xù)性可控的核聚變反應(yīng)。
就好比由于我準(zhǔn)備充足，一次性“又快又強(qiáng)”，爽了……
對(duì)方說，“再來一次？”
我只能說，“別急，再等等吧?！?/p>
NIF的核燃料球就放在圖中的裝置內(nèi)，192束激光會(huì)一起轟擊燃料球，從而產(chǎn)生核聚變
可現(xiàn)實(shí)的需求等不了啊！
可控核聚變的根本目的，就是盡可能地以低成本獲取能源造福社會(huì)，不能多次、持久，那不就是“ONE NIGHT”么？
其實(shí)，看看美國LLNL采用的點(diǎn)火裝置隸屬的部門，就不難發(fā)現(xiàn)美國本次實(shí)驗(yàn)的根本目的。
耗資35億美元建設(shè)的美國國家點(diǎn)火裝置，由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負(fù)責(zé)運(yùn)行，最初是通過模擬爆炸來研究核武器威力，后來才用于推進(jìn)核聚變研究。
整個(gè)LLNL的主要任務(wù)，就是通過實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的高能量聚變反應(yīng)，為美國核武器研究提供參考。
雖說這次實(shí)驗(yàn)中的能量產(chǎn)出超過了能量消耗，可這只是理論值，如果要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，算上擴(kuò)充儲(chǔ)能設(shè)備、技術(shù)人員及裝備，還有無法測算的輸送損耗，僅僅一點(diǎn)能量增益，分分鐘就會(huì)損耗殆盡。
說到底，美國這次迫不及待地宣布核聚變實(shí)驗(yàn)成功，有兩方面目的。
首先，還是為了秀一把“肌肉”。
就好像前不久，美國破天荒將最新型的B-21隱形轟炸機(jī)大大方方展示在世人面前一樣，這種毫無顧忌地展示行為，其實(shí)就是希望向世人炫耀自己的武器裝備實(shí)力，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略恫嚇。
美國高調(diào)亮相最新型的B-21隱形轟炸機(jī)
再說了，美國政府這幾年又是疫情，又是灰頭土臉撤出阿富汗，政治上拉胯，經(jīng)濟(jì)還始終不景氣，怎么說也得找點(diǎn)長志氣的成績顯擺下。
核聚變實(shí)驗(yàn)，也是美國一貫采取的技術(shù)牽引戰(zhàn)略，實(shí)驗(yàn)的成功至少再次證明了美國在核聚變領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用能力，向可控核聚變目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。
其實(shí)，甭管是激光核聚變，還是磁約束核聚變，究竟花了多少錢，關(guān)鍵是在核聚變領(lǐng)域，“老子又快人一步”，你們其他國家就羨慕嫉妒恨吧。
其次，LLNL也是為了配合美國相關(guān)部門，合起伙準(zhǔn)備向國會(huì)伸手要錢。
之前美國國會(huì)給馬斯克的太空計(jì)劃撥款十分痛快，老馬的衛(wèi)星從星鏈織成星盾，眼瞅著還要跑火星去了。
反正都是燒錢，核聚變更事關(guān)未來可持續(xù)能源，甚至關(guān)系到老馬的火箭能飛多遠(yuǎn)。
反正成績擺在這里了，面子也幫你們掙足了，各位爺，你們看著辦。
再從美國政府的角度來說，可控核聚變未來的商業(yè)價(jià)值顯而易見，誰能盡快實(shí)現(xiàn)核聚變的商業(yè)化，其意義不亞于當(dāng)年石油的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
可能很多人還不知道，隨著頁巖油技術(shù)的突破和大規(guī)模開采，美國已是全球第一石油生產(chǎn)國。
2021年，美國石油產(chǎn)量為711.1百萬噸；排名第二的是俄羅斯，石油產(chǎn)量為536.4百萬噸；中東產(chǎn)油大國沙特只排名第三，石油產(chǎn)量為515百萬噸。
手握美元和石油，在全球已是一家獨(dú)大，如果未來再掌握核聚變商業(yè)技術(shù)，那美國的世界霸權(quán)地位只會(huì)更加穩(wěn)固。
盡管這次核聚變實(shí)驗(yàn)到真正市場化應(yīng)用，還有非常漫長的路要走，可美國確實(shí)已經(jīng)走在了最前面，而且有了突破性的進(jìn)展。
我們應(yīng)該學(xué)習(xí)美國在戰(zhàn)略科技上的眼光和定力，注意他們?cè)谌蚯把乜萍碱I(lǐng)域的長期主義。
僅僅這個(gè)核聚變實(shí)驗(yàn)，美國就已經(jīng)投入幾百億美元，開展了近60年的研究，而且還在持續(xù)孵化和支持中。
但我們不能就此被美國牽著鼻子走，國家的資源有限，任何科學(xué)技術(shù)戰(zhàn)略都得根據(jù)實(shí)際國情和科學(xué)基礎(chǔ)制定，形成自己的戰(zhàn)略定力與方向。
中國在核聚變領(lǐng)域的研究速度其實(shí)并不慢，甚至還擁有許多并不遜色于歐美的成績，這是因?yàn)橹袊娏υ鏊俜茸罡?，需求非常大?/p>
目前根據(jù)中國官方公布的信息，核聚變商業(yè)化發(fā)電的時(shí)間表是2030年實(shí)現(xiàn)發(fā)電，2050年實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電應(yīng)用。
管理學(xué)上，有一個(gè)理論，叫“飛輪效應(yīng)（Flywheel Effect）”。
指的是任何事情起步都很艱難，發(fā)展緩慢，但只要方法正確，持續(xù)推動(dòng)，事情的發(fā)展速度就必將越來越快，越來越省力。
這里的“方法”，就是真正本著造福社會(huì)、造福人類的愿望。
只要我們能堅(jiān)定不移繼續(xù)核聚變領(lǐng)域的研發(fā)，踏實(shí)奮進(jìn)，誰最終點(diǎn)燃人類未來的“太陽”，尚未可知！
