21世紀迄今最大突破：可控核融合！人造太陽、無窮無碳無害能源，夢要成真！【文昭思緒飛揚212期】

放飛頭腦思緒飛揚朋友們好 今天我們來聊一個近期 讓許多人激動不已的話題 可控核聚變的發電 2022年12月13日 美國能源部敲鑼打鼓地宣佈喜訊 人類在可控核聚變上 終於取得正能量了 這個正能量可不是什麼 奮進激昂再創輝煌 背後的故事很暖心 這樣的洗腦段子 是真正的物理意義上的正能量 全世界的實驗室用了大約70年時間 才終於實現了 讓核聚變的輸出能量 達到了輸入能量的1.53倍 那為什麼這個正能量這麼稀罕呢 咱們今天就來好好掰扯掰扯 時間回到1919年的5月29日 在西非的普林西比島 一個英國科研小隊 早早地架好了天文望遠鏡 和各種測量儀器 靜靜地等待著 因為這一天要發生一場日全食 而普林西比島 是觀測這場日全食的最佳位置 帶隊的科學家叫愛丁頓 他是劍橋大學天文臺臺長 也是一位物理學家 這時太陽的邊緣開始出現黑影 日全食開始了 團隊的觀測儀器通通啟動 照相機不停地按下快門 看著漸漸變黑的太陽 愛丁頓突發奇想 太陽的萬丈光芒到底是從哪來的呢 兩個小時以後 光明重回大地 觀測結束 團隊任務圓滿完成 隊友們都很高興 愛丁頓更加高興 因為在這兩個小時當中 他已經完成了一次重要的思緒飛揚 回到英國 他奮筆集書 很快地就完成了一本書 叫做《恆星的運動和宇宙的結構》 書裡說 太陽之所以那麼亮那麼熱 是因為它內部正在發生核聚變 不僅僅是太陽 所有的恆星 都是因為核聚變而發光發熱 在20世紀早期 原子核內部的事還不像今天這麼科普 人們對此還相當陌生 所以書出版以後 迎來的懷疑多於讚歎 核聚變難道真有這麼大的力量 時間又來到了1954年3月1日 一艘叫福隆丸號的日本漁船 在太平洋上追蹤到了一羣金槍魚的蹤跡 船停了下來 船員們興奮地拋下釣網 然後靜靜地等待金槍魚自投羅網 然而他們不知道的是 一場災禍正在悄悄逼近 距離福隆丸號的停靠地 西南方150公里的地方 就是大名鼎鼎的比基尼環礁 它屬於馬紹爾羣島共和國 比基尼環礁並不算大 大約有600平方公里 從1946年開始 這裡就成了美國的核試驗基地 島上的居民被全部遷走 一顆顆的原子彈在這裡爆炸 因為比基尼島離周圍的島嶼很遠 再加上美國海軍 在周圍海域劃定了危險區域 雷達也睜大眼睛監視著周圍 確保沒有民用船隻闖入 所以一直以來也沒出過什麼幺蛾子 這邊福隆丸號的船員們 已經靜靜等待了兩個小時了 船長和船員們 估計這魚兒應該已經進網了 正打算收網的時候 突然他們感到西面傳來的一道亮光 所有的人不由自主地扭頭 向西望去 只見西面的海平面上 升起了一團比太陽還要亮的光球 在萬丈光芒當中 又升起了一道烈焰直衝雲霄 在距離地面大約3000多米的高度 它散成了一朵標準的蘑菇雲 在二戰末期才經歷了原子彈災難的日本人 一下都警惕了 難道又是一顆原子彈爆炸了 船員們趕緊收網 好在漁船離比基尼島還比較遠 隔了100多公里 船員們還有點反應時間 暫時還沒有感受到強大的衝擊波 就在船員們還在收拾漁具的時候 天空中突然下起了白粉 白色的粉末就像是雪花一樣 飄灑在甲板上和船員身上 有船員拿起這個白粉仔細一看 是什麼呢 原來是沙粒和被炸碎的珊瑚顆粒 船員們感到事情相當不妙 趕緊架船離開 在回程的路上 船員們就開始出現噁心頭暈等症狀 一上岸 船員們拔腿就往醫院裡跑 果然診斷出來 這23名船員都得了核輻射綜合症 就在大家都以為是原子彈爆炸的時候 東京大學對這個白粉的研究結果出來了 日本漁民遭遇到的可能是一種新型武器 因為漁船離爆炸地點太遠 一般的原子彈的威力 不足以一下子就把這些放射性物質拋至這麼遠 那想來想去唯一的結論就是 這是一種新型核武器 日本政府立刻風風火火向美國提出了抗議 你們偷偷摸摸爆炸新型核武器 不僅傷害了我們的漁民 還可能禍害我們的漁業 美國一聽也警覺了 剛剛爆炸的這個叫布拉沃的氫彈 是美國五角大樓的頂級機密 爆炸現場早就清場了 雷達探測周圍海域也沒有船隻出入 怎麼會被幾個日本漁民給目擊了呢 難道是蘇聯人在背後搞鬼嗎 一調查才如夢初醒 原來是因為氫彈的威力太大了 是廣島原子彈的一千倍 那原先劃定的原子彈試驗場的危險區域 就遠遠不夠用了 就超出這個區域太多了 而日本的漁船是在原先劃定的區域之外的 所以雷達也沒有注意往那看 事後美國向日本賠償了一千五百多萬美金 相當於今天的75億美元 不幸中的萬幸是 這23個得了核輻射綜合症的人當中 經過治療只有一人死亡 那原子彈和氫彈有什麼不同呢 簡單地說 原子彈是運用了核裂變的原理 而氫彈則是運用核聚變的反應原理 這是兩種不同的核反應類型 原子彈使用的裂變材料一般是油和布 而氫彈所使用的聚變材料呢 則是青銅位素家族的刀和川 所以它才叫氫彈嘛 簡單地說 裂變就是讓一個原子核分裂成幾個 而聚變是讓幾個原子核聚成一個 聽上去雖然很相似 都是原子核發生的故事 但實質差著千里 裂變產生的原子核很不穩定 它有放射性 但是聚變後形成的原子核很穩定 沒有放射性 誒且慢 剛剛不是說了嗎 日本漁民被布拉沃氫彈給核輻射了 怎麼又說這個核聚變形成的原子核相當穩定 沒有放射性呢 是不是自我打臉了呢 這是由於氫彈的設計思路造成的 因為核聚變需要巨大的熱量去催化 設計師找不到替代品 直白地說 就是要引發聚變反應 需要的溫度門檻太高 一般的起爆器達不到這個要求 所以就用原子彈當起爆器去引爆氫彈 聚變以後 產生的巨大能量 它又會反過來 讓原子彈中還沒有發生裂變的部分 繼續裂變 所以氫彈的爆炸過程是分為三步 造成放射性污染的 其實並不是核聚變物質 刀核穿 而是作為起爆器材料的裂變物質 油 因為氫彈裡的油裂變效率 比一般的原子彈效率更高 所以它放射性更大 更污染環境 這個時候全世界才感受到了 原來當初愛丁頓的思緒飛揚真是牛 於是科學家們就琢磨上了 如果核聚變能夠用來發電該多好啊 那世界不僅能夠有像太陽這樣 取之不盡 用之不竭的能源 而且還純天然 完全無碳的 說不定還能夠讓人類 遨遊太空的夢想成真呢 因為長途宇宙旅行最需要解決的 就是能源問題嘛 可是要用上核聚變能源 需要兩個條件 第一 你得找到原子彈的替身 就是能夠激發核聚變的清潔能量 要不然聚變核電廠開一次機 就得爆一顆原子彈來預熱發動機 你說這玩意兒誰受得了呢 除此之外的第二個條件就是 得把核聚變由不可控變成可控的 不僅要可控 而且還得是那種持續輸出能源的模式 氫彈作為一種武器 它是一次性的 破壞性的釋放能量 是不可控的 那這和汽油作為燃料 但TNT炸藥就不能作為燃料 是一個道理 科學家們開始很樂觀 因為核裂變僅僅用了12年時間 就完成了華麗轉身 由殺人武器轉變成了造福人類的能源 1957年 也就是原子彈小男孩和胖子 分別在廣島和長崎爆炸之後的第12年 世界上第一座核電廠 在美國賓夕法尼亞州正式上馬了 就是碼頭式核電廠 在那之後 核電廠就如同雨後春筍一般在全球開花 而且已經完成了四代核技術革命 請大家看這張圖 藍色的點就是目前全球正在運作的核電廠 黑色的點就是正在建造的核電廠 但是這些核電廠用的都是裂變式反應堆 讓人們很失望的是 從1954年第一顆氫彈 布拉沃在比基尼島爆炸之後 美國、歐洲、日本、中國都砸錢砸人 想要完成核聚變的華麗轉身 利用聚變方式來發電 卻始終沒有進展 終於2022年出來了重大結果 試驗中的核聚變反應堆 它的輸出能量達到了輸入能量的1.53倍 終於等來了這個讓人期待已久的正能量了 核聚變終於與變害為例 朝著人類可以利用的能源道路 邁出了重要一步 那當然是萬眾歡騰、萬眾矚目了 可是當你仔細看了美國 能源部發出的實驗資料之後呢 可能心情不會那麼激動了 心裡就會咯噔一下了 為什麼會咯噔一下呢 這就得從核聚變的技術發展史說起了 託派技術的特點呢 是它用的那個裝置外形像一個超大的甜甜圈 是一個環形裝置 叫託卡馬克 甜甜圈的外部就像纏糉子一樣 裹上了無數笨重的磁鐵線圈 和無數的外掛裝置 機器一啟動 甜甜圈內部的空氣和雜質首先被抽走 然後就注入氣態燃料 這個氣態燃料也就是青銅衛宿 刀和川 這個時候再把甜甜圈外面的磁性線圈充上電 氣態燃料在強大的電流下 就被分解成了等離子體 也就是一羣自由電子和帶電粒子 我們把它們叫做等離子體 也叫電漿 那這些等離子體 在電流和磁力的作用下就撞來撞去 越活動越嗨 讓甜甜圈內越來越熱 熱到什麼程度呢 可以讓溫度飆升到1.5億至3億攝氏度 那這也就是核聚變發生所需要的溫度 於是原子核就可以三三兩兩的聚合在一起 完成聚變 再釋放出巨大的能量了 當然除了高溫 還得維持等離子體的密度和它持續的時間 聚變反應纔能夠成功 把這些能量收集起來 一邊輸出 另一邊在源源不斷的注入氣態燃料 那這個過程大家看看像什麼呢 是不是很像汽油的內燃機 你一踩油門 汽油就噴入發動機的燃燒室 和空氣混合就成了油霧 燃燒以後氣體膨脹 推動活塞運動 你不停的踩油門 就不斷的重複這個過程 而託派核聚變裝置也是借用這個思路 那這不就是一個發光發熱可控的小太陽了嗎 賓果撒花兒 但是還是得且慢 上面所說的都是理想狀態 現實卻很骨感 就是另外一個樣子了 目前全世界有30多個託卡馬克實驗室 無一例外都遭遇了滑鐵爐 因為這些實驗當中核聚變所產生的能量 都遠遠少於輸入的能量 到目前為止 託派最成功的案例 要屬建在英國的歐洲聯合環狀反應爐 簡稱為JET 運轉JET需要25兆瓦的電力 聚變所產生的能量有多少呢 只有16兆瓦 所以大夥看看 25比16 也就是說你投入10塊錢 只能掙出來6塊4毛 而且還人尺馬位的 得算上反應爐的附屬設施和人員的投入 妥妥的就是賠本的買賣 技術上可行 但是經濟上不可行 但是這也就是託派方案 目前能夠拿到的最好成績了 第二種可控核聚變思路 就是美國能源部剛剛宣佈的好消息 點火派 它全名叫做美國國家點火設施 你一聽啥點火設施 這個詞不知所云 其實它就是美國能源部 造的一部激光裝置 安裝在加州的摩爾國家實驗室 這套激光裝置巨大無比 光安裝它的產房就有一公里長 它包含有6萬多套電路 看上去是傻大粗 但其實一點也不憨 因為它的精度要求高得聳人聽聞 廠房內安裝了192門激光炮 這些激光炮得在一奈秒 也就是1 1億分之一秒之內同時發射 並且擊中一個斑斗大小的燃料球 整個過程的誤差不能超過30匹秒 匹秒又是什麼呢 1匹秒是1萬億分之一秒 是10的負12次方 所以對精度的要求高得嚇人 當燃料球被擊中後 燃料球的表面和託派的甜甜圈一樣 也會形成等離子體 這使小球表面的溫度驟然升高 小球就外熱內冷 內外受力不均勻 它就會發生攤縮 也叫內爆 這驚天的一爆 就會讓整個小球的溫度 在瞬間飆升到1.5億至3億攝氏度 正是核聚變所需要的能量 這個時候就能夠引起小球內部的 核聚變鏈式反應了 聽到這兒您可能明白了 所謂點火 就是指這個小球 它在達到了聚變溫度的那一瞬間 像一根火柴滑著了一樣 美國能源部的聲明說 這192門激光炮 輸入了2.05兆瓦的功率 能夠讓小球產生3.15兆瓦功率的能量 也就是說 投入10塊錢 能掙出來15塊3 終於有正向的產出了 這難道不是一個天大的喜訊嗎 可是呢 大夥兒也別太著急拍手歡呼 仔細一看 你心裡就該罷涼罷涼了 因為 美國能源部公佈的這個2.05兆瓦 只是這192門激光炮發射的功率 再重複一遍 這只是激光炮發射的功率哦 還有一個數字 沒有在喜訊當中提到的 就是要讓這192門激光炮工作 需要輸入322兆瓦功率的能量 誒 你在開玩笑嗎 沒錯 其實就是我們開頭說的 託派甜甜圈 也是一樣的情況 要讓那個JET甜甜圈啟動 需要700兆瓦的電力 所以託派的真正產出比是 100比2.29 點火派的真正投入產出比是 100比0.98 所以呢 如果你按總體能源投入和產出的比例來看 點火派還沒有甜甜圈高呢 看到這組數據 估計大家的心裡都和我一樣 有一萬隻這種動物跑過去 這麼低的效率你還圖個啥呢 所以一直以來 外界對可控和巨變嘲笑的聲音 就沒有間斷過 說你就是在浪費錢和精力 但是專家們的辯解是 投入產出效率如此之低的原因是 不論是激光炮還是甜甜圈 這些裝置的本身就有很多BUG 輸入的能量 大多數被消耗在不必要的地方了 這就好比你使勁吹一個渾身都是沙眼的氣球 費盡九牛二虎之力也只能吹碗這麼大 可是當你把沙眼都補好之後 氣球吹到房子這麼大都是有可能的 現在在法國南部 建起了一座新的託派反應堆 叫國際熱和巨變試驗反應堆 縮寫是ITER反應堆預計將在2025年開工 參與反應堆建設的國家一長串 有歐盟、美國、中國、日本等等都上了 準備砸超過220億歐元 大家的願景是把這個ITER 甜甜圈的各種漏洞盡量彌補上 爭取降低輸入功率 提高產出 點火派也沒閒著 也雄心勃勃要提高激光炮的效率 要讓系統產生的能量 大於總體上輸入的能量 不過從他們目前的投入產出比來看 無論是哪一派 離他們的小目標都有點太遠了 目前不管是託派還是點火派 其實都只是做到了 我們前面所說的可控核聚變的第一步 就是找到起爆氣原子彈的替代品 而且目前都還是櫃體還不是瓶體 解決了這一步之後 下一步會更加艱難 下一步的任務是 要能夠可控地持續地輸出核聚變的能量 這纔有意義 因為現在無論是託派還是點火派 能夠拿到的能量都是在極短時間內產生的 JET甜甜圈就是5秒 點火派其實更短 只有5微秒 1微秒就是1百萬分之1秒 要如何走到第二步 讓核聚變既可控又持續呢 科學家目前還沒有計劃 所以要讓核聚變造福人類 還有一段漫長的路要走呢 不過值得欣慰的是 無論如何亮亮腔腔 第一步總算已經邁出去了 點火派已經實現了終端能量的正向輸出了 所以美國能源部報喜也不算吹牛 千里之行始於足下嘛 相當於是盤山學步的嬰兒 已經邁出去了第一步 要知道1946年 人類第一臺電子計算機誕生的時候 真說得上是傻大憨粗 還笨 佔地170平方米 重30噸 每秒鐘纔能夠運算5000次 但是它的意義很重大嘛 今天所說的可控核聚變進展也是一樣 如果它能夠完成像實用性的轉變 那毫無疑問 它將是21世紀人類取得的 最能夠改變歷史的技術突破之一了 那麼好 今天的故事就分享到這兒 謝謝大家 如果您覺得咱們今天這個話題有意思 或者咱們這個頻道有意思的話 就請定個月關個注 下回更新不迷路 散會 最後剪輯師小謝又拍了個案 人家都可控核聚變了 您這兒還在蓮花清瘟呢 就這還要彎道超車