可控核聚变稳定燃烧多少秒才可以（人间大炮发射可控核聚变的新途径）

近日，一家位于英国牛津名为曙光聚变（First Light Fusion）的高科技公司宣称其利用独特的靶片技术在全球范围首次实现了可控核聚变，并获得了英国原子能局（United Kingdom Atomic Energy Authority）的证实。更让人惊讶的是，与传统的激光和磁性约束装置相比，成本是它们的千分之一！

对此，英国商业、能源和产业战略部国务大臣Kwasi Kwarteng给出的评价是：曙光聚变的这项技术可能会在未来几十年内彻底改变电力生产。

那么什么是核聚变呢？

核聚变指两个或两个以上的轻原子核如氘、氚等聚合成一个原子核的反应过程。在聚变过程中放出巨大的能量，故称聚变能。聚变要在几千万到上亿度的高温下才能进行，所以又叫热核反应。例如太阳的能量就来源于它内部的两种重氢元素氘和氚的核聚变。但是氢弹里的热核聚变反应一发生就不可收拾，要作为可以利用的能源，必须使反应受到控制。人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。几十年来，受控核聚变的研究一直是人类探索新能源的尖端课题。其最终目标是要使轻原子核内储存的能量受控制地释放出来，转换成电能供人类使用。受控制核聚变供应动力技术如获成功，则其最大优点是释放能量大，燃料藏量丰富。就拿氘核来说，一克氘核聚变所放出的能量相当于100立方米汽油燃烧放出的能量。在海水中，每1升海水，约含有3毫克氘，而它的潜在能量相当于300升汽油。因此，一旦掌握了这项技术，地球上浩瀚的海水就将成为人类取之不尽，用之不竭的新的能源。

太阳的能量来源于核聚变

产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。通常有三种方式来产生核聚变：

1.重力场约束；2.惯性约束；3.磁约束。

其中主要的可控核聚变方式：ICF激光约束（惯性约束）核聚变（如我国的神光装置，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置NIF都是这种形式，造价约35亿美元）

NIF使用了一台巨大的激光器，这个激光器被装载在一个有着三个足球场大的设备中，能够产生192束激光束。

在过去的十年里，NIF团队通过各种方式改进试验装置与靶丸设计，以期获得尽可能高的产能。2021年8月8日，一个惊人的记录产生了。NIF的强大的激光脉冲（1.9兆焦）引发了燃料丸的核聚变爆炸，产生了超过1.3兆焦的能量——这是该设备自建成以来所产生的最高能量的8倍，它达到了触发它的激光脉冲的能量的70%，成为了最接近“点火”的实验。首次接近达到触发核聚变中的“点火”（ignition）的阶段，朝着在地球上实现核聚变的目标迈进了一大步。

NIF装置

磁约束核聚变（托卡马克、仿星器、磁镜、反向场、球形环等），用磁场将氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器把聚变燃料做成等离子体，利用内部电流制造多方向的超强磁场约束等离子体，让它们稳定悬空并高速旋转，在磁约束的环面中运动，不跟容器直接接触，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。它的名字tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环EAST

目前在全球范围内计划，退役或目前正在运营的实验托卡马克共计两百余个。在建的国际热核聚变实验堆（ITER）计划和 有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）也是托卡马克装置。目前EAST创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。表明托卡马克装置已基本满足建立核聚变反应堆的要求。由欧盟、美、日、俄、中、韩、印共同出资建立的ITER预计2035年运行，2025年完成建设。一旦建成，它便是地球上最大的聚变实验堆，耗费约数十亿美元。

或许你会问了，激光点火和托克马克听上去看起来都高大上，几十亿美元才能玩得动，你这跳出来说成本是它们的千分之一，又快又便宜，怎么做到的？

对此，曙光聚变表示弹丸聚变是惯性聚变的一种新方法，它更简单、更节能、物理风险更低。 惯性聚变是一个脉冲过程，就像内燃机一样，注入少量燃料并点燃以使其燃烧。 现有的主要惯性聚变方法使用大型激光作为“火花塞”，触发反应。 我们改用高速弹丸，发射高速弹丸撞击含有聚变燃料的靶片，将燃料内爆至使其聚变所需的温度和密度。

弹丸聚变原理

此前的弹丸聚变研究中发现所需的速度非常高。对此，曙光聚变的靶片技术则成为了改变游戏规则的关键。 其设计的靶片有两个方面，一个放大器和一个燃料舱。 放大器做了两件事，它增加了弹丸撞击产生的压力，按照笔者的理解就是做了一个冲击波长脉冲~短脉冲整形，为燃料提供了更高的压力。 这种放大降低了所需的弹丸速度；燃料内爆的速度比最初的冲击快得多。放大器还产生汇聚。 虽然最初的影响仅来自一侧，但燃料会从多个方向挤压。 这对于达到所需的最终临界密度至关重要。

靶室

本次采用的“射弹聚变”，虽也属于惯性约束，但它却不靠激光束或电子束/离子束点火，而是靠二级轻气炮（极端条件下物性研究如状态方程等实验中常用的加载实验装置）。

曙光聚变公司搭建的名为“Big Friendly Gun”二级轻气炮装置长约22米，重25000公斤，能以超音速近19.11倍的飞行速度发射100克的弹丸，通过弹丸高速压缩靶丸内部燃料，就能达到聚变所需的压力和温度。他们发射的弹丸在撞击靶丸前达到了每秒6.5公里的速度，而在燃料内爆时已经加速到每秒70公里以上，燃料受到的压力则有10TPa，也就是1亿个大气压，相当于1只手掌托起300艘满载辽宁号航母（67500吨）所承受的压力。

Big Friendly Gun二级轻气炮装置

能量是如何获得的呢？

是的，和所有电站干的都一样，烧开水！装置腔室内液态锂，一方面用来吸收高速撞击产生的聚变脉冲，还能防止室内温度急剧上升，保护装置。然后再通过热交换器将锂的热量传递到水中产生蒸汽，使涡轮机转动发电。整个过程可以做到30秒重复一次，流程简单，只需投入数千万英镑搭建硬件设施，怎么看都比激光点火和托克马克的性价比高得多。

能量转换过程示意

价格便宜量又足，靠谱吗？这家公司又有着怎样的背景？

曙光聚变公司是一家极为年轻的公司，成立于2011年，目前有60多名员工，主营业务就是研究如何利用惯性约束聚变技术来进行发电，出身不凡，前身是牛津大学的一家研究机构。CEO是牛津大学核聚变领域博士毕业的Nicholas Hawker，在相关领域积累了十余年研究经验。

Nicholas Hawker

今年2月，该公司获得了4500万美元的C轮融资，腾讯参与投资。其余投资机构还包括Oxford Science Enterprises（牛津科学企业）、Hostplus（澳大利亚养老基金公司）和IP Group plc（英国知识产权运营服务公司）等。加上此前的融资，一共筹得资金总额为1.07亿美元。下一步计划快速开展“增益”实验（能量输出高于输入），并在2030年用10亿美元与发电商合作推进商业化，开发试电厂，生产约150兆瓦的电力。

Machine 3

曙光聚变的Machine 3加速器装置

可控核聚变会不会成为下一个风口？

核聚变能具有能量密度高、原料储量丰富、安全环保清洁等特点，是未来理想的主力能源。不管从国家战略层面，还是商业价值的角度，这一领域极具投资潜力。根据聚变工业协会（The Fusion Industry Association (FIA)） 和英国原子能管理局（the UK Atomic Energy Authority (UKAEA)）统计，截至2021年，全球一共约有35家私营商业核聚变企业。

这里面的明星公司就包括美国的CFS（Commonwealth Fusion Systems），由麻省理工学院于2014年创立，投资者包括谷歌、比尔·盖茨等。根据Crunchbase数据显示，像杰夫·贝佐斯、Cenovus能源公司等个人和机构，也已经累计对General Fusion（通用聚变）公司投入了约1.27亿美元。

国内的投资方除了像刚才提到的腾讯之外，上海知名游戏公司米哈游今年2月底也是携手蔚来资本，共同投资了一家叫做能量奇点的聚变能源商业公司。

由此可见，各个国家和企业对这一领域的前景十分看好。毕竟，一旦可控核聚变实现了，人类就再也不用为能源担心了。取之不尽用之不竭的能源让人类生产力得到极大的解放，人类文明从此将进入新纪元。

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