可控核聚变重大突破 马斯克：挺酷、但没必要

新能源重大进展，突如其来：

人类首次在聚变反应中实现了净能量增益。

意思是说，可控核聚变装置中，输出的能量首次大于输入的能量。“人造太阳”朝商业化迈出第一步。

有多重要？

马斯克一生追求廉价、清洁能源，几乎穷尽一切手段：太阳能屋顶、锂电储能站、纯电动汽车、可回收火箭……

他的一切所作所为，永远围绕一个主题：提升人类文明利用能源的规模和效率。

而学界、产业界的普遍共识认为，能源问题的终极答案就是可控核聚变。

一旦实现商业化，全人类会拥有廉价的、取之不尽的能源。

人造太阳重大进展

研究成果来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）。

直接上结果：

12月5日，LLNL一次新实验，输入的能量为2.05兆焦耳（MJ），在核聚变反应后的输出能量约为3.15兆焦耳。

能量增益高达约150%。

反应堆输出的3.15兆焦耳能量，大概够烧开20壶水。

看起来不多，但重要意义是维持可控核聚变反应的能量，第一次小于核聚变输出的能量。

正循环的基本条件具备了，今后继续降低可控核聚变的成本、提高效率的基础也有了。

从人类认识核聚变，到今天这一步一共走了90年（1932年人类发现核聚变程序）。

为什么这么难？

核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量的反应。

以氘氚聚变为例，一个自由质子的相对原子质量为1.007；一个自由中子的相对原子质量为1.0084；由“两个质子+两个中子”结合而成的氦负四原子，相对质量为4.0026。

而4.0026<2*（1.007+1.0084）=4.0308，等式中缺失的质量转化为了能量，满足的是质能守恒定律。

1公斤氘氚聚变相当于80544.9吨TNT当量，这个效率远远超过人类有史以来利用过的任何能源。

但难点是，核聚变发生条件苛刻，需要极高压和高温，而一旦开始，又会瞬间释放能量，难以控制。

所以人类对核聚变的首先应用，是氢弹。

人造太阳要解决的难题，是采取合适的手段，使得核聚变过程受控。

具有一定可行性的可控核聚变装置之一叫托卡马克。中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

而反应开始后，托卡马克则利用磁约束来实现受控核聚变。

问题是——要维持托卡马克内的反应，需要不断输入能量，远大于装置内核聚变产生的能量。

而另一条技术路线，就是这次取得重大进展的激光核聚变。

人造太阳“正循环”，怎么实现的？

所谓激光核聚变，是用高功率激光作为驱动器，照射核燃料标靶的惯性约束核聚变。

基于激光的反应堆，可以让核聚变在很短的时间内发生，而且现在已经一定程度上跨过了净能量增益的门槛。

所谓“惯性”，简单来说，就是在极短时间内对聚变反应中形成的等离子体增温增压，利用内部原子核自身的惯性，让它们在向四周膨胀逸散之前就克服彼此之间静电斥力，完成融合。

具体过程是：使用激光照射核燃料标靶，在光束加热作用下，颗粒等目标容器会向外爆炸。

在爆炸过程中，除了容器表层，其余部分会产生反作用力，使其向内加速并压缩里面的燃料。

另外，这个过程还会产生大量冲击波，压缩并加热中心的燃料，从而促使核聚变发生。

但如果想要将聚变反应堆应用于商业发电，就需要让激光器每秒加热目标至少10次。这并非根本不可能，但从工程角度来看，是非常困难的。

LLNL实现突破的方法，是利用美国的国家点火设施（National Ignition Facility，NIF）——世界最强大的激光点火装置，用多达192道的激光束，照射处于辐射平衡态的空腔（hohlraum），也就是包裹着氘和氚，针头大小的球状颗粒。

通过激光作用，氘和氚的混合物形成了超热氢等离子体。

另外，在反应过程中，产生的X射线炸开了原来的粒子，燃料层内爆，为核聚变的发生创造了条件。

最终在NIF的加持下，这次实验产生了足够多的热量，并且这些热量在燃料中传播足够快，使得输出的能量超过了输入。

△NIF，已耗资35亿美元

这次实验结果，其实也是一种“大力出奇迹”。

距离商用还有多远？

知乎用户@树树给出了这样的估算：

100万美元成本，烧了20壶水（还不算35亿美元的设施成本），成本依然高得可怕。

但前景是乐观的。

马斯克怎么看

马斯克早就有看法：

挺酷、行得通，但没必要。

因为我们的头顶一直就有一个取之不尽用之不竭的核聚变反应堆——太阳。

所以马院士认为，最好的能源问题终极方案，是利用太阳能（风能本质也是太阳能的一种），而不是不计成本去搞人造太阳。

所以，马斯克投资了太阳能、锂电、新能源汽车、航天、城市交通、脑机接口…..唯独没投资核聚变。

最后，回归到我们关注的新能源汽车。

无论马斯克看不看好，可控核聚变商业化落地，意义依然是巨大的。

要明确一下，可控核聚变商业化不太可能是安装在车辆本身的小型反应堆装置，技术上难度巨大，也不符合汽车本身消费品的属性。

真正的意义在于，可控核聚变使电能取之不尽用之不竭，成本极低，而且完全0碳0排放。用车成本几乎可以忽略不计。

人类要做的，只剩下建设合理的储能运能体系——比如马斯克正在搞的锂电池储能站。

责任编辑：落木