超音速“大炮”轰出了可控核聚变？

本文来自微信公众号：量子位 （ID：QbitAI），作者：金磊、丰色，原文标题：《19倍超音速“大炮”轰出可控核聚变！成本仅为传统方法0.1%，腾讯已投资》，头图来自：视觉中国

一把22米的“长枪”开了一炮，直接让可控核聚变大变天。

这把“长枪”，名字叫做Big Friendly Gun（BFG）。

它实则是由一家位于英国牛津的核聚变技术公司First Light Fusion （下文简称FLF）打造的超高速炮。

它可以以每秒6.5公里的速度（19倍音速）向燃料靶发射弹丸，从而引爆核聚变。

重点来了。

这整个过程只花了不到4500万英镑，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！

这在世界范围内还是首次，网友直呼“Holy XXX”……

或许你会问了，那这与我们有什么关系呢？

英国商业和能源部长Kwasi Kwarteng给出的评价是：

该技术可能在未来几十年内彻底改变电力生产。

更具体地说，BFG可以在未来，让一度电的价格低于0.05美元（约3毛钱）。

而聚焦到BFG背后的可控核聚变，这个领域可以说是在近两年里十分火热了。

像比尔盖茨、贝佐斯等大佬，谷歌、微软等大厂纷纷投资于此；国内像米哈游蔚来等企业也已经曝出相关投资动作。

不过回到BFG本身，现在都在感慨可控核聚变“难”，那它又是如何做到又快又便宜的呢？

又快又便宜，怎么做到的？

核聚变，简单来说，两个轻原子核（主要指氘）在超高温或高压的条件下，远离核外电子的束缚，结合成大原子核的过程。

由于这一过程能以极高的效率释放巨大的能量，因而可控核聚变这种方式被寄予厚望。

目前共有两种截然不同的实现方式：一个是磁性约束，一个是惯性约束。

大家所熟知的托卡马克，就属于磁性约束。

它大概就是用磁场将氘、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。

FLF用的这个方法，名叫“Projectile Fusion” （射弹聚变），它属于惯性约束。

一般的惯性约束装置是通过功率极大的激光照射目标（靶丸），使丸中的燃料（氘和氚）形成等离子体，在极短时间内，这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散，就被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。

该原理由王淦昌院士在1964年提出，也是最接近氢弹爆炸的真实物理过程。

不过相较于广泛合作的磁性约束装置，惯性约束方面的研究则比较低调和神秘。

目前比较知名的是美国点火装置（National Ignition Facility，NIF），不过还没有真正意义上的成就。

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，而是靠一架超高速炮。

图片来自：First Light Fusion Ltd.

不知道这个炮的名字“Big Friendly Gun”是否来自于Doom（毁灭战士）中的BFG，也就是人称的“Big F**king Gun”。

“Big Friendly Gun”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克的射弹，通过射弹高速压缩靶丸内部燃料，达到聚变所需的压力和温度。

FLF表示，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——这是地球上最快的物体。

燃料受到的压力则有10TPa，也就是1亿个大气压，比木星中心的压力还要大。

如何利用该方法产生的能量？

这就要靠装置腔室内的液态锂，它既可以用来吸收高速炮产生的聚变脉冲，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（heat exchanger transfers）将锂的热量传递到水中，水产生蒸汽，就能使涡轮机转动并发电了。

FLF表示，整个过程可以每30秒重复一次，流程并不复杂，装备也没有激光和磁性约束那么昂贵。

背后的公司出自牛津大学

听起来非常激动人心，FLF这家公司又有着怎样的背景？靠谱吗？

它原来是从牛津大学分离出来的一家机构，成立于2011年，主营业务就是利用惯性约束聚变技术来进行能源发电，使全球快速实现能源的脱碳。

2021年，FLF采购到绰号为“BFG（Big Firendly Gun）”的二级超高速炮，并完成了安装和调试。

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、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）和Braavos Capital（英国咨询公司）。

至于融资的动向，当时公司表示，计划利用这笔资金来加速完成增益实验（即产生的能量超过了用于引发反应的能量），并交付首例核聚变的研究结果。同时在工程和设计上进行更详细的计划，进一步开发全规模核聚变发电站。

加上前几轮，FLF一共筹得资金总额为1.07亿美元。

目前，该公司一共发展到60多名员工，CEO是Nicholas Hawker。

他从2007年在牛津大学读硕博士时就开始研究核聚变。

他和Yiannis Ventikos是该公司的共同创始人。

Yiannis Ventikos则是肯尼迪大学机械工程教授、伦敦大学学院机械工程系主任以及英国皇家工程院院士。

Nicholas Hawker在此次成果中表示：

相信射弹聚变是商业上可行的聚变发电的最快途径。

该公司下一步是快速开展“增益”实验（能量输出多于输入），并在2030年用10亿美元与发电商合作开发试电厂，生产约150兆瓦的电力。

可控核聚变到哪一步了？

这次FLF所采用的方法如刚才所述，是属于惯性约束。

而在可控核聚变领域中，其实还有另外一种热门的方法，那便是托卡马克。

关于这一话题的历史，最早可以追溯到20世纪30年代。

当时的科学家们，尤其是美国物理学家、诺奖得主Hans Bethe等发现，核聚变是存在可能性的。

而且一旦能够实现可控核聚变，那便意味着可以提供无限的清洁能源，同时减少安全和废物问题。

这也就是它能够被称为“能源生产皇冠上的明珠”的原因了。

而自那之后，科学家们便开始寻找能够引发和控制核聚变反应的方法。

但一开始他们就面临着一个令人头痛的问题——核聚变反应需要数亿度的温度。

简直太热了，当时任何的固体室都没法容纳的下。

后来，物理科学家们就想到了“磁约束”的方法，也就是用磁场来控制热等离子体。

于是在这种理论之下，刚才提到的“托卡马克”便应运而生。

第一台托卡马克是由苏联库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇等人，在20世纪50年代发明的。

细算下来，至今全世界已经有200多台托卡马克被造出来过。

但由于现实情况要比理论复杂的多，这些托卡马克大多都是建来做实验、收集数据，然后拆掉再升级……

不过在这其中，有一台便被寄予了厚望，那就是位于法国马赛的ITER。

按计划，ITER这台托卡马克，建成后半径会达到6.2米，内部等离子体体积840立方米，总重量2.3万吨，运行温度比太阳核心高10倍，预计输出功率达到500兆瓦。

除此之外，这个项目还计划在2025年正式开始等离子体实验，2035年进一步开始进行氘氚聚变实验。

目前，俄罗斯、美国、欧盟、印度、日本、韩国和中国都是这项计划的成员。

至于我国，也是在可控核聚变上有着不错的进展。

例如我国研发的核聚变装置东方超环 （EAST）被称为“人造小太阳”，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克。

它的目标就是像太阳一样发生核聚变为人类提供能源，至今也是在不断取得突破：

• 2017年，全球首次实现5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行；

• 2018年底，首次实现了1亿度等离子体放电，等离子体储能增加到300千焦；

• 2020年4月，在1亿度超高温度下运行了近10秒，创造了新的纪录。

• ……

就在今年1月，EAST还实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，打破了自己保持的411秒最长放电纪录。

而可控核聚变的火热，不仅仅体现在国家层面上对其的重视；从商业角度来看，亦是如此。

除了像刚才提到的腾讯之外，米哈游前一阵子也是携手蔚来资本，共同投资了一家叫做能量奇点的聚变能源商业公司。

更早的，像比尔盖茨、谷歌和许多私募股权公司，共同投资过一家名为Commonwealth Fusion Systems（CFS） 的核聚变研究公司。

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。

DeepMind也在不久前在Nature上发表了一项研究，宣称成功实现了用AI来动态控制托卡马克的磁场，从而精准控制内部的等离子体。

不难看出，无论是国家、企业还是研究机构，目前均纷纷涉足并大力发展可控核聚变技术。

至于原因，或许就是：

在能源紧张的今天，谁先一步掌握新的能源技术，就意味着抓住了未来。

参考链接：

[1]https://www.bloomberg.com/news/articles/2022-04-04/u-k-startup-s-big-friendly-gun-achieves-fusion-breakthrough

[2]https://firstlightfusion.com/media/fusion

本文来自微信公众号：量子位 （ID：QbitAI），作者：金磊、丰色