527：手把手，教你掌控核聚变！
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原来是这样原来是这样原来是这样欢迎来到原来是这样各位好我是徐东

上一期节目是教大家如何去建造一座核电站不知道各位都学废了没有如果说成功学会并且付诸实践的朋友也欢迎在我们的评论区当中晒一晒你的作品其实上一期节目的后半部分我们也是提到了以核裂变为基础的核电站虽然它有很多的优势但以目前的技术而言它还是有很多的局限性的距离所谓的终极能源还差得挺远

相信你也已经猜到了今天我们要聊的就是相比于核裂变来说更加炽热理论上也更加清洁和安全的终极之火那就是核聚变这项科幻作品当中的标配未来技术为什么那么难实现如今的我们距离实现它又还有多远或者如果造一座核裂变核电站对你来说太简单的话那今天我们就试试看来造一座

核聚变核电站吧考虑到一些还没上小学的朋友这里我们先补充一些前置知识如果说裂变是把一个大西瓜劈成两半那聚变就是把两个小橘子捏成一个苹果这个过程听起来挺简单的但是它释放的能量要比裂变还要高一个数量级

我们以最典型的刀穿聚变为例一个轻的同位素刀原子核和一个更重的同位素穿原子核在极高的温度和压力下聚合生成一个氦 4 原子核同时会放出一个多余的中子在这个过程里同样也会发生质量亏损

而这些消失的质量通过爱因斯坦的智能方程 E 等于 mc 就转化成了一个巨大的能量大约 17.6 兆电子伏特这个数字可能有点抽象啊我们还是来做个对比上期我们说到裂变一个油 235 原子核大约会释放 200 兆电子伏特的能量看起来呢会比 17.6 兆电子伏特大多了但是别忘了啊

一个油二三五原子核可比刀核穿加起来重太多了那如果按照单位质量来算也就是同样一克的核燃料裂变能大约相当于燃烧两吨的煤炭而一克刀穿燃料完全聚变释放的能量相当于燃烧超过八吨的优质石油比裂变能的效率要高出大约四倍

要是相比于化学燃料来说这个能量效率妥妥是高出天际了

除了能量效率非常逆天核聚变还有一个极其巨大的优势那就是清洁我们看一看它的聚变反应产物主要就是氦 4 这就是我们用来填充气球的那种惰性气体它无毒无害本身就是大气的一部分完全没有放射性虽然刀穿反应会产生中子这些高能中子会轰击反应堆的内壁材料使它产生一定的感生放射性

但这和裂变产生的大量长寿命高毒性的核肺疗相比简直是小巫见大巫聚变产生的感生放射性物质半衰期通常很短几十年到一百年内放射性就会衰减到安全水平不需要像裂变肺疗那样考虑几十万年的地质封存问题

至于反映原料刀和川它的来源我们可以理解为几乎是无限的海水里有海量的刀川虽然稀少但也可以通过锂来制备相比于裂变所需要的油矿获取成本上还是低得多的再加上它有极高的能量效率和无与伦比的清洁性既没有碳排放也没有长寿命的核废料毫无疑问堪称是人类梦寐以求的完美能源

当然问题也来了既然核聚变那么完美为什么我们不能立刻拥有它呢这是因为想在地球上点燃并且控制这团来自太阳核心的火焰实在是太难太难了

我们知道太阳之所以可以发光发热就是因为它的核心无时无刻不在进行着剧烈的核聚变但是想在地球上复制这个过程人类面临着一个极其苛刻的物理条件门槛这就是由英国物理学家约翰·劳森提出的劳森判句这个判句可以理解为点燃并维持核聚变这团火必须同时要满足的三项条件

首先要有极高的温度你要把两个原子核捏在一起就得让它们靠得足够近但是原子核它都在正电它们之间存在着强大的静电排斥力也就是库仑斥力要克服这种斥力就必须让原子核拥有极高的动能让它们以极其夸张的速度互相野蛮冲撞强行去突破那道斥力墙而温度正是粒子平均动能的体现

所以要实现刀川巨变这个温度至少要达到一亿摄氏度以上这其实比太阳核心的温度现在估测大约是 1500 万度还要高上好几倍

光有温度还不行我们还得有足够的密度原子内部其实非常的空旷原子核只占了极小的一部分我们以前好像也做过一个比喻好比是一个大教堂当中的一颗黄豆当我们把一堆原子核加热到一亿度它们就像是一群打了鸡血的粒子在一间巨大的屋子里边疯狂乱飞如果屋子里的粒子太过于稀疏它们可能飞上半天也撞不上一次

所以我们就必须把足够多的燃料粒子也就是原子核压缩在一个极小的空间里提高它们的密度就像是把人都挤到一个小小的舞池里这样它们互相碰撞的概率才会大大增加

而即使温度和密度都达到了如果这团高温高密度的燃料一下子就散开了那也白搭我们必须还得有办法把这团能量给约束住让它在这个高温高密度的状态下维持足够长的时间这样聚变反应才有足够的时间发生

并且产生的能量要大于维持这个状态所消耗的能量其实也不难理解只有这样整个反应才能够回本甚至盈利对不对因此劳森判据告诉我们温度乘密度乘约束时间这个三项成绩必须达到一个极其巨大的数值聚变反应才能够实现所谓的净能量增益也就是输出的能量与输入的能量

有的人就会问了那太阳是如何满足这个判据的呢其实对于恒星来说他们用的是最简单最直接也最粗暴的方法那就是引力

太阳凭借着它极其巨大的质量产生了无与伦比的引力这种引力就可以把它的核心物质挤压到一个极高的密度和压力状态从而达到几千万摄氏度的高温同时它的巨大引力也提供了近乎无限的约束时间但这样的场景放在地球上显然就不适用了因为以现有的技术来说我们是不可能在地球上重现太阳的引力的

所以我们只能另辟蹊径反正是个三项成绩我们不如在某一项或者是两项参数上做到极致这样一来即使没有太阳的强大引力或许我们也可以在地球上满足劳森判据而这种思想也就催生出了两种主流的技术路线

要么追求极致的快在极短的时间内用无与伦比的暴力把燃料压到超高密度和温度让它来不及散开就在瞬间完成聚变要么追求极致的久虽然密度没那么高但是我们用一种巧妙的方法把温度极高的燃料长时间的囚禁起来让它们慢慢反应而这两种策略分别就对应着如今可控核聚变的两大技术方向惯性约束聚变和磁约束聚变

我们先来看看惯性约束简单来说就是制造一个微型的可控的氢弹爆炸

他的核心思想是把包含刀和川的核燃料制作成一个比米粒还小的燃料球然后从四面八方用超高能量的激光束或者是粒子束在几十亿分之一秒的时间里同时均匀的轰击这个小球这个过程有点像是四面八方无数的如来神掌去压一个橙子

首先激光瞬间会把燃料球的外壳加热成等离子体并且向外猛烈爆开根据牛顿第三定律这个向外的爆炸就会产生一个巨大的向内的反作用力形成一道毁天灭地的冲击波以极高的速度向球星压缩这样的冲击波又会把球星内部的刀穿燃料

而整个过程会在燃料球因自身惯性而散开之前就完成

目前世界上最大也是最著名的惯性约束聚变装置就是美国的国家点火装置它是一个占地面积相当于三个足球场大的庞然大物内部是部署了 192 束超高能量的激光

它的设计其实挺巧妙的不是直接用激光轰击燃料球而是轰击一个被称为环空气的金属小圆柱的内壁激光将内壁加热使其发出强烈的 X 射线再由这些更加均匀的 X 射线去压缩燃料球这就是所谓的间接驱动方案

2022 年的时候其实有一个挺重磅的新闻那就是这个国家点火装置 NIF 历史性的首次实现了点火也就是由聚变所产生的能量超过了驱动激光的能量在人类追求聚变能源道路上算得上是一个里程碑式的成就

除了用激光还有一种更加野的路子叫做 Z 估缩它的原理是在燃料球周围布置一圈由乌丝组成的笼子然后瞬间给这个笼子通上超乎想象的强大电流

强大的电流会产生强大的磁力也就是洛伦兹力这个磁场会把乌斯笼子瞬间向内挤压让它变成高温的等离子体并且以极高的速度撞击中心的燃料球从而引发巨变美国的 Z-Machine 和中国的巨龙一号都是这种装置的代表不过无论是激光还是 Z-固缩它都要求能量的注入必须极其的精确和同步目前离商业发电还有很长的路要走

因为它是一次性的脉冲式反应如何连续不断的点火并且高效的收集能量还是极其巨大的挑战脑洞太大休息一下

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既然瞬间引爆那么难那接下来呢我们不妨换个思路能不能打造一个特殊的容器把一亿度高温的燃料长时间的装起来让它慢慢的烧呢显然啊地球上没有任何实体材料可以承受住一亿度的高温

但是别忘了物质在如此高的温度下会变成一种特殊的形态等离子体在等离子体当中原子核外的电子已经脱离了束缚变成了自由电子而原子核则带正电整盘物质虽然是电中性的但是内部呢充满了带电的离子

既然是带电粒子那我们就可以用一个强大的特殊形状的磁场像是一个无形的磁力牢笼一样把这团炙热的等粒子体约束在真空容器的中心不让它碰到容器壁这就是所谓的磁约束巨变的基本思想了目前最主流研究也最深入的磁约束装置就是大名鼎鼎的托卡马克

它的名字来源于俄语的几个词分别是环形真空式词线圈的首字母缩写所以它的本质上就是一个巨大的有点甜甜圈形状的真空式外面缠绕着极其复杂的超导磁体线圈托卡马克的设计堪称是精妙绝伦它至少需要三组主要的磁场来协同工作才可以把等离磁体牢牢困住

如果你想尝试的话首先你需要准备一个环向场线圈就有点像是一串香蕉一样环绕着甜甜圈的巨大线圈这种线圈会产生一个主磁场可以让带电粒子沿着磁力线做螺旋运动这就是主要的约束力来源

另外我们还要做一个极向长线圈在这个甜甜圈的上下方用来精确控制等离子体的位置和形状防止它们因为漂移而撞到内壁

同时我们还要再做一个中心螺线管它就是位于甜甜圈的中心孔洞有点像是一个变压器一样在等离子体当中感应出强大的环向电流这个电流既能产生一个额外的磁场来增强约束的稳定性同时也可以像电炉丝一样通过电阻效应把等离子体给加热这就是所谓的欧姆加热

但其实光靠欧姆加热还远远达不到一亿度如此夸张的水平所以科学家们还需要用各种各样的辅助手段比如说类似于微波炉原理的高频电磁波加热又或者有点像是粒子炮的高能中性素注入为的都是给这些等离子体添柴加火最终把它加热到我们希望的点火温度

而托卡马克也是目前最有希望实现商业巨变发电的技术路线我相信关注科技进展的朋友应该还是比较熟悉的因为中国的巨变战略目前主要也是聚焦在这里而为了满足我们前面提到的劳森判据的苛刻要求中国现在在可控核巨变领域采取的是所谓的双子星战略在我们国内其实是布局了两台世界级的托卡马克装置

其中一台名气非常的响亮那就是位于合肥的东方超环从诞生之初它就肩负着一个特殊的使命要挑战劳森判局当中的约束时间极限

因为我们知道如果核聚变电站真的能够商业化运行那它就必须要像今天的火电站一样 7×24 小时的可以持续稳定的输出电力所以东方超环它的实验方向就是要解决这个耐力问题

就在今年初,东方超环再一次创造了一项惊人的世界纪录,它是成功地将上亿度的高温等粒子体稳定运行了长达 1066 秒,这个时间已经超过 17 分钟了。这也标志着中国科学家已经从单纯的物理实验迈入了复杂的工程控制阶段,这个背后其实也证明了中国在系统集成、材料科学和控制技术上已经取得了系统性的巨大进步。

还有一个同样出名的装置,坐落于成都,那就是中国环流三号,它是专注于另一个极限,要冲击老森判决当中温度和密度等综合参数,如果说东方超环追求的是持久,那么中国环流三号,也就是 HL3,它追求的就是强大。

也是在今年 3 月 HL3 是取得了一个里程碑的突破首次实现了原子核温度和电子温度双双超过 1 亿度的双亿度运行这就标志着它的内部环境已经非常接近未来聚变堆真实的燃烧状态了

同时它还实现了 150 万安培的等离子体电流这是衡量装置约束能力的关键指标而中国环流三号的成就也意味着咱们已经掌握了驾驭聚变核心物理规律的强大能力这种一个练耐力一个练力量的双平台策略让中国可以并行攻克聚变能的两大核心难题系统性地为建造真正的聚变电站扫清障碍在这个领域

我们可以很自豪地说中国比别的国家不仅走得更快还走得更稳

作为全人类都在追求的终极能源在核聚变领域我们也并不是闭门造车还有一项大名鼎鼎的国际合作我们也是深度参与甚至可以说这个项目也是全球最大的科技合作项目那就是国际热核聚变试验堆 ITER 计划如果关注这个领域的朋友可能知道

这是全球共建的一个巨型的托卡马克装置中国是承担了其中的大约 9%的制造任务但是这些任务个个都是硬骨头从支撑整个装置骨架的磁体支撑到直面异度高温的第一臂材料再到被誉为心脏安装工程的核心部件吊装没有一项是轻松的

所有的这一切都指向一个更加宏伟的目标那就是希望自主设计和建造中国巨变工程实验堆这也是中国巨变三步走战略的核心简单的来说就是中国自己的旨在发电的巨变示范堆蓝图

那根据规划呢我们是希望可以在 2035 年建成到 2050 年左右就可以开始建设商业示范电站了这样算起来我们距离可控核巨变似乎真的只有 25 年不到了

说的有点远啊不论托卡马克其实还有一种结构更加复杂但是外形看上去则更加酷炫的磁约束装置叫做仿星器模仿的仿星星的星仿星器它呢不像托卡马克那样需要等离子体自身产生强大的电流来维持稳定

而是完全依靠一组极其扭曲像麻花一样的外部磁场线圈直接构造出一个能够稳定约束等离子体的三维磁场它的优点是理论上可以实现真正的稳态运行但是缺点就是磁场的设计和建造难度极高对工程精度的要求可以说是达到了当下人类技术的极限

德国的文德尔斯泰因 7X 就是目前世界上最大最先进的仿星器但相较于已经取得诸多实质性进展的托卡马克而言仿星器在这个领域的探索只能说走得还并不是很远当然无论是托卡马克还是仿星器如果我们真的成功地在里边点燃并且维持了巨变之火接下来

接下来的问题则在于我们应该如何把它的能量取出来用于发电呢科学家们其实也早有构思而且挺巧妙的

穿刀巨变产生的大部分能量大约 80%是由高能中子带走的这些中子它不带电也不受磁场约束会直接飞出等离子体区域轰击到包裹着真空室的特殊包层上而这个包层通常是用锂的化合物制成的而这个锂包层它就有两个至关重要的作用首先就是进行能量转换

高能中子轰击锂包层就会把自身的巨大动能传递给包层使它的温度急剧升高我们再用冷却剂比如说水或者是氦气流过滚烫的包层带走热量然后就是去烧开水推动气轮激发电而这个过程就和我们熟悉的裂变核电站或者火电站的后端类似了

除此以外它还会产生一个非常有趣的现象叫做燃料自持这是非常神奇的一点前面我们说过川在自然界当中非常的稀少但是礼仪却非常的丰富

当中子轰击锂六的原子核时就会产生核反应正好可以生成一个新的川原子核和一个氦原子核也就是说我们可以用聚变反应产生的中子去制造聚变反应所需要的燃料川这样是不是就形成了一个完美的燃料闭环

因此理论上只要有足够的刀和锂我们的聚变电站就能够持续不断的运行下去另外未来如果我们可以掌握更加先进的聚变技术比如说刀氦 3 聚变那自然更加的理想了因为这个反应几乎不产生中子能量都有带电粒子带走可以直接通过电磁感应的方式发电效率也更高感声放射性也更低

而氦 3 原样当中已经不止一次提过了这种东西在月亮当中含量非常的丰富这也是为什么我们说探索月球和外太空对人类未来的能源战略具有深远的意义了

除了刚才我们提到的这些在通往终极能源的道路上还有一些其他有趣的思路有一种叫做辐索的装置中文翻译叫做聚变井这个井是耳朵旁一个水井的井它是一种静电约束装置简单的来说就是用两个带有相反电荷的龙状电极在真空当中形成一个强大的向心电场

把带正电的粒子加速并且汇聚到中心通过碰撞来实现聚变这种装置结构简单有些爱好者甚至可以在车库里造出来网上也能找到视频点亮的紫色等磷子体辉光也非常的酷炫

但是由于离子很容易撞到内部的电极上能量损失是非常巨大的所以它只能理解成是一个出色的中子源和科普演示工具是没有办法实现能量的净输出的评论区当中造核电战斗轻而易举的朋友倒是可以试试自己 DIY 一下

还有一种更加具有科幻色彩的设想叫做μ子催化聚变μ子是一种比电子重 200 多倍的基本粒子如果用一个μ子去取代氢原子里的电子形成的μ氢原子会比普通氢原子小得多原子核之间的距离会被大大拉近库仑吃力也随之减小从而就有可能在室温下发生所谓的冷聚变但很可惜的是

MUSE 它的寿命极短只有百万分之二秒还不足以催化足够多的巨变反应来实现能量增益听到这儿你可能会感觉核巨变离我们还挺遥远的而且要实现它的确也是困难重重确实呢这条路我们已经走了几十年我们距离它的真正到来可能也还需要等上几十年但是大家应该能感觉到

无论是惯性约束的点火成功还是磁约束装置一次次刷新高温运行记录我们的每一步似乎都离那个终极能源之梦更近了一点能源问题环境问题一直是制约人类文明发展甚至引发矛盾冲突的根源如果有一天人类真的能够掌握廉价清洁甚至近乎无限的聚变能源

毫无疑问这项技术对于人类文明的影响丝毫不会亚于人工智能因为有了这样的能源武器无论是海水淡化粮食生产还是太空探索我们所需要的成本都会被极大的降低人类文明也自然会跃升到一个全新的高度

虽然研究核能的一步步成果不像航天发射那样立刻会带来举世瞩目的震撼画面但它同样也是人类利用量子力学天体物理学和最尖端的材料与工程技术的智慧结晶也让我们一起期待这团清洁安全的人造太阳之火终有一天会来到我们的面前原来是这样就是这样

大家应该知道今天这期节目呢就是上一期节目的尾声我说过的 Jeffrey 邓杰明这篇文案的下半部分当然了在播出前呢我也是进行了一个相对比较大篇幅的原样化改写但是他整个行文的核心思想和叙事结构我都是保留的

这里也想读一读邓洁明同学在当时投稿的文案当中写下的一段挺长的作者的话他说在我刚从事工程师设计的时候一位前辈提醒我你的图纸设计应该是要让知识不如你或者经验比你少的人都能够看懂并理解这样才是好的工程师

如果相反需要一个学识比你更高的人才能明白那你的设计就不妥因为这会不利于工人进行安装后期维护等等写文案和听名样也让我意识到搞科普也是这样的将高能的内容用浅显生动的语言让非专业甚至小朋友能听懂这就和好工程师做出的好设计是不谋而合的这个过程和科普一样都有挑战性且富有乐趣

他在这段话当中还提到了对于搭档模式的喜爱这里我也说一声抱歉因为进入到暑假几位搭档都需要花时间陪伴小朋友再加上这周末我就要去广西带团了这两周我本职工作的事也确实非常的多所以一直没有和搭档找到一个比较好的配合的时间因此邓建明的这个系列我其实是做了一个反向操作就是把双人版改成了单人版希望大家能理解

说起小朋友他说呢也希望这篇文案可以作为给孩子的礼物他说在原样十周年的活动当中听到水雄和他孩子的故事也让他感到很欣慰他也希望等他的孩子成长为小刀友的那天可以回听到这期节目里邓杰明留给他宝宝的祝福他说科技的发展是不会停下脚步的今天我们可能觉得很遥远的东西也许就近在咫尺了

这里对于小朋友们也留一段寄语可能你觉得这个系列的文案当中提到的很多技术好像非常的难但是这些有可能改变人类文明的装置如果有一天真的出现了其实大概率就会出自于你们的手我们长辈和过往的巨人成就的是现在而这些未来才应该是你们真正造就的所以不要畏惧保持热情科技会以你们实现的更快

真的说得非常好啊很多话我读起来也非常的有共鸣所以也再次感谢 Jeffrey 邓杰明给我们带来的这期文案那今天的原来是这样到这儿也要和大家说再见了再次感谢通过所有方式支持和帮助我们的朋友原来是这样的发展真的离不开大家我是虚冻代表本次节目的撰稿人 Jeffrey 邓杰明感谢各位的收听我们下期接着聊

你知道宇宙当生于起点啊原来是这样也知道生命来自于海洋多久是这样首途的梦原则跌击人类的路是雨打裂谷明公也公

哦 就是这样

如果说能跳进黑洞里面啊 你确定吗有活着存在思维的空间欢乐那可太酷了那种可能性都会好奇就算幼稚也没问题 Oh that is so cool 牛捏革命只能革命

原来是这样

原來是這樣就是這樣