美國能源部即將發(fā)表重大聲明，人類或首次實現核聚變反應凈能量增益，這意味著什么？

意味著慣性約束聚變發(fā)電，人類邁出了一大步。

前方最少還有1000步，但也可能是+∞步。

(資料圖)

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的慣性約束聚變是什么？

本質上相當于一場小型氫彈爆炸。

氫彈爆炸的原理，其實就是通過原子彈產生慣性約束聚變。

上方的小型原子彈內爆后，會產生大量的X光射線，X光射線會在蛋殼內反射匯聚，照射到包裹氫同位素聚變燃料的外殼（聚苯乙烯泡沫）上。

上億℃的高溫，直接讓聚苯乙烯泡沫等離子體化，其極速膨脹，從而向內對氫同位素產生極的壓強和溫度，突破聚變材料強相互作用力距離，從而最終點燃引爆。

氫彈誕生之時，就有人想過聚變發(fā)電。

最初科學家想到的就是核爆發(fā)電，而且有的具有可行性。

例如，1977年，蘇聯科學家薩哈洛夫提出的核爆艙發(fā)電：

這設計風格符合蘇聯的硬核和奔放。

但實際，這是一個理論可行的方案。

根據科學家的數據推算，建造小型這樣的發(fā)電站是足夠安全的。需要克服的主要兩個：

降低爆洞工作溫度降低沖擊波破壞作用

傳熱方面，前者可以用鈉和鉀的混合物。后者則可以用花崗石作基巖，不銹鋼作內襯[1]。

考慮到核擴散（《核不擴散條約》限制了氫彈爆炸發(fā)電的利用）和其它不安定因素，目前并沒有國家真正實施這樣的計劃。

所以，才有美國為首的國家率先啟動了小型的慣性約束聚變，現在中國這方面其實已經做到了僅次于美國。

點燃原理，幾乎和氫彈引爆沒啥區(qū)別。

利用高能X射線照射聚變靶，加熱聚變靶表面物質，令其等離子體化。

等離子體化的高溫高壓物質，壓縮氫同位素，使得聚變材料密度達到鉛密度20倍（超過200g/cm^3)，溫度達到1億℃，并最終點燃氫聚變。

由于氫聚變會釋放龐大能量，所以這個靶其實很小。

有多小呢？

如圖。

比常見的小鋼珠還要小。

慣性約束聚變玻璃微球：內可填充氘氚氣體或氘氚冰

氫彈我們還能用原子彈來來產生高能X射線，激發(fā)等離子體來引爆。對于這么小的聚變材料，自然不能用核彈了（核彈具有最小的臨界質量限制）。

那應該如何產生點燃的高能X射線呢？

現在主流的就是用激光。

不過，為了制造這個高能X射線，付出的代價卻是極高。

我們以美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)為例。

為了制造高能X射線，需要先讓大量的激光射入一個專門制造的鍍金黑腔內。

激光在壁內不斷反射加熱，最終產生X射線。

X射線最終點燃提前放置在黑腔內的微球。等離子體化的微球表面瞬間膨脹，使得聚變材料在幾納秒內產生3500~400km/s的速度， 朝著內部撞擊，產生數百GPa的壓強，并最終發(fā)生核聚變[2]。

由于所有高能激光需要精準地入射，所以需要精準控制。

這是定位系統(tǒng)：

同時還需從配一個龐大的靶室，當初修建靶室的時候，由于過大，不得不分段建造：

然而這么大的靶室僅僅只是龐大點火實驗室的一部分：

包括外部建筑面積的話，足足有三個足球場大小

兩邊的激光產生后，從藍色到紅色，最終進入靶室。

你沒有看錯。

如此龐大的系統(tǒng)，僅僅只是為了引爆那么一顆小小的微球。

這個裝置單次打靶輸出功率達到400~500MJ。

2021年通過477 MJ的電能，產生1.8 MJ的紫外激光，最終得到了1.3 MJ的聚變能。然后接下來的一年，竟然無法完成重復試驗，期間竟然只能產生200~700KJ的聚變能。直到解決了一些基礎物理問題后，才在2022以后，確定了它的可重復性[3][4]。

從歷年來該裝置的聚變能變化，可以直觀看出2021年的斷崖式飛越。

2022的這次突破，本質上還是2021技術突破打下的基礎：

使用422MJ的總電能，激發(fā)192 臺激光器，最終輸入2.1MJ的激光，產生2.5MJ的聚變能， 達到Q＞1（其實僅僅只是激光進入黑腔之后Q＞1，完全沒考慮總用電量）。

激光器的效率本身是1~5%，但很明顯，在實際應用中，加上紅外線到紫外線的轉化損失，NIF 的總激光輸入甚至沒達到1%，堪堪在0.5%上下。

考慮發(fā)電時，需要通過熱交換器，利用熔融物質把熱量交換出去之后，才能燒烤開水發(fā)電。按照目前的人類技術，它的發(fā)電效率是很難超過40%。

值得說明的是，這還不是穩(wěn)定的，并不是每次都能產生這么多，偶爾可能只產生0.1MJ。

即便我們往高了說，假設50%的穩(wěn)定發(fā)揮。

那么，按照目前的投入和產出，可能平均1000MJ最終才能產生1MJ。

也就是說，即便最理想的情況，人類距離最初級的慣性約束發(fā)電條件，都還有1000倍的距離。

未來要實現慣性約束聚變發(fā)電，至少需要解決這些技術：

1、點火效率進一步提升，達到理論上輸入3MJ產生30MJ的效果，也即益10倍。2、激光器效率飛躍式提升，例如二極管技術理論上限是20%，考慮到損耗，我們預期實際上限是16%，加入激光之間的轉化損失穩(wěn)定到20%以下，那么最終能達到12.8%。這部分再增益10倍，那么多出28%，那么就真的可以實際運用發(fā)電了。3、裝置打靶效率問題，你弄了三個足球場，最終才打靶這么一個小點，還需要考慮黑腔置換，激光器散熱，靶室內熱量傳輸發(fā)電問題。由于聚變效率一般只有10%，還需要考慮氘氚的回收。如何設計一個全自動置換黑腔、回收氘氚，同時轉化輸入輸出熱熔物質發(fā)電，還要保證高效率，是這個系統(tǒng)必須解決的技術問題。

第1點，當點火能量提升了，微球聚變材料面密度再提升，自然就能做到更充分的聚變。這個隨著技術發(fā)展，是可能做到的。

第2點，這是最關鍵的技術，達到20%對于現今人類猶如登天。10%還是有希望的。但如果只有10%的話，就無法達成總正收益，無法去發(fā)電。從目前來看，做到超過10%，就有點賭運的趨勢了。

第3點，由于現在很明顯還只是一個很簡陋的，大力出奇跡的裝備。任何發(fā)電所需要考慮的技術難題，現在都很難去考慮。但其實只要第2點能做到，第3點弄得勉強一點，也有商用的希望。當然一開始因為技術限制，可能這種電力會過于昂貴。

總的來說，對于慣性約束聚變發(fā)電，我們可能距離實現，最低還有1000倍的距離。但也有可能是一個無限遠的距離。尤其是激光效率難以得到提升的話，就會成為一個死胡同。

總的來說，微型慣性約束聚變發(fā)電，間接條件太多，損耗環(huán)節(jié)過多。甚至一些損耗，是哪怕達到技術天花板也是存在的。

所以，與其弄低效率的微型核爆發(fā)電（哪怕最終達到每秒鐘一個靶點，按照高的30MJ正收益10MJ來算，正收益功率也才10^7W，甚至不到三峽大壩的千分之一），還不如用地下核爆艙直接粗暴的方案。

應用經驗告訴我們，一般越直接，越有效率。

環(huán)節(jié)越多，損耗越多，越難有廉價的實際運用。

最后不得不說的是，慣性約束聚變的技術突破，即便最終不能發(fā)電，在其他方面具有深遠影響的。

這玩意兒可不僅僅能拿來發(fā)電。

還可以模擬核爆炸，研究核武器性能。進行高能物理實驗，模擬超新星爆發(fā)、恒星和巨大行星內核的環(huán)境，探索宇宙秘密。

除此之外，還能促進材料和激光技術的發(fā)展，從而在航天、軍事上有著更加廣闊的運用。

參考

^中國工程物理研究院：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.

關鍵詞： 等離子體