前兩天，《Nature》雜志評選出了2023年度十大科學人物，其中有一位叫做Annie Kritcher，她入選的原因是據說她實現了可控核聚變的點火。
當然如果可控核聚變點火真的實現了，那實現它的人，我們怎么去褒獎都不為過。但是Annie的所謂點火，不得不說非常尷尬，今天我們就來講講這個事兒。
可控核聚變想必大家都聽說過，這個科幻小說中的常客能在幾乎沒有污染的情況下產生取之不盡用之不竭的能量，被譽為是清潔能源領域的“圣杯”，也是人類的終極夢想之一。
Annie Kritcher所供職的NIF是美國能源部旗下的國家點火中心，從去年年底到今天，他們一共成功實現了4次成功“點火”：
2022年12月，輸入能量2.05MJ，產生能量3.15MJ；2023年，7月30日，輸入能量2.05MJ，產生能量3.88MJ；10月8日，輸入能量1.9MJ，產生能量2.4MJ；10月30日，輸入能量2.2MJ，產生能量3.4MJ。
這四次實驗值得吹噓的關鍵點在于，每次的產生能量都比輸入能量大，最多的一次達到了1.89倍，也就是說，有“凈能量增益”。
今年上半年我們曾經去探訪國內的一些做核聚變的企業，得出的結論是在極度樂觀的預期下，可控核聚變可能會在10年后進入到發電階段。那么這個Annie Kritcher的研究成果，是否會實現換道超車，把核聚變的商用時間進一步提前呢？
對此我得說，她的這條實驗路線，別說產生能量達到輸入能量的1.89倍，2倍，就算將來有一天能達到100倍，都實現不了可控核聚變的發電。
為什么這么說呢？
01
要知道這個問題的答案，我們要看看NIF做了什么。
首先，先簡單說一下核聚變。
核聚變，簡單說就是兩個原子核聚合成一個核。這一反應釋放出的能量比核裂變反應更大。
有多大呢？
以最容易實現的氘氚聚變，也就是氫帶一個中子的同位素和氫帶兩個中子的同位素的聚變反應為例，氘原子的質量為3.345*10-^27千克，氚原子的質量是5.01*10^-27千克，氦-4為6.649*10^-27千克，中子為1.675*10^-27千克，反應后質量少了0.031*10^27千克，反應質量虧損在0.37%左右，虧損的質量以能量的形式釋放。
人類整體的發電功率大概是10^12方瓦，根據愛因斯坦質能方程換算到質量的話，等于每秒消耗0.01克物質，對應氘氚聚變反應原材料就是整個人類每秒需要消耗2.7克，一天是230公斤，一年是84噸。（當然這里忽略了后續燒水發電的損耗）
也就是說，要維持全人類一年的發電量，僅僅需要一輛百噸大卡車就能裝載全部的核聚變原料，就是這么離譜。
而且，這種發電方式既不排放二氧化碳，也沒有放射性的。
不過，要讓核聚變發生可一點也不容易，原子核都帶正電荷之間存在靜電斥力，彼此越靠近靜電斥力就越大。
為此，就需要人為地制造相應的條件，使得當兩個原子核靠的足夠近，近到原子核內部的強相互作用力大于靜電斥力，從而聚合在一起。
為了創造這樣的條件，就需要將原子核加速到相當高的速度。而微觀粒子的高速，在宏觀上就表現為溫度。以最容易實現的氘氚聚變為例，它在常壓下的反應溫度大約是1.5億攝氏度，太陽核心溫度的十倍。
大家可以想象，一方面，1.5億的高溫沒有任何已知的材料能夠承受，于是如何約束核聚變的反應原材料成了一個棘手的問題；另一方面，創造這么高的溫度勢必需要消耗很多能量，搞半天放出的能量如果還沒輸入的能量多那就沒有意義了。這也是為什么，在探討核聚變發電時，我們必須要關注“能量增益”。
目前，人類實現核聚變有兩個流派。一個是以托卡馬克為代表的磁約束聚變，換言之，就是通過磁力來創造核聚變反應的條件，我今年去參觀的公司就是這個流派的。另一個就是今天我們重點要聊的，以NIF為代表的慣性約束聚變。
慣性約束是什么意思呢？一個球在地面滾動，雖然受到向后的摩擦力，但卻依舊向前滾動，需要一定的時間才會停下來，這就是慣性。
對應到核聚變中，就是原子核加速靠近另一個原子核，雖然受到靜電斥力，但卻依舊因慣性而靠近，如果在足夠短的時間內靠到了足夠近的距離，那就來不及彈開了，核聚變就會發生。
NIF用激光實現了這個慣性約束核聚變的過程，具體是這樣的：
NIF將聚變材料設計成一個小小的靶丸，靶丸經過激光照射后，會在表面形成一個等離子燒蝕層，這個等離子燒蝕層經過加熱后爆炸，形成向內的沖擊波，使得靶丸中心形成高溫高壓的環境。
這一過程正是利用了向內的沖擊波加速靶丸中心的原子核，利用其慣性，使其相互靠近至強相互作用力大于靜電斥力的位置，完成聚變。
不過，NIF有192束激光，而靶丸卻很小，直徑只有2-3mm，對應到我們常見的物體的話相當于一顆胡椒，所以直接操縱192束激光向其照射無異于大炮打蚊子，很難保證靶丸被均勻加熱。而一旦加熱不均勻，就會導致靶丸材料受力不均勻，從而過快地散掉，中心就無法達到核聚變反應的條件。
所以，NIF設計了一個黃金制作的空腔，他們把靶丸放空腔里，然后用激光照射空腔，空腔被加熱后發出X射線，這些X射線就能均勻地加熱靶丸，于是，核聚變就成功的點火了。
02
在了解了NIF實現核聚變的技術后，就可以好好說一下，為什么我說他們離真正被用來發電還有極其遙遠的距離。
他們去年到今年做的四次點火實驗，正如剛才所說，所謂的能量增益達到了1.26到1.89不等，也就是說，至少有百分之二十多的多余的能量可以拿出來發電。
是這樣嗎？
我們需要仔細看一下NIF的宣傳當中沒有提到的，它的實際能量轉換效率。
首先，我們需要給激光器蓄能，把電能轉化為激光能量。NIF使用了一系列激光器來把激光放大、濾波、調頻，這一過程的能量轉換效率，在90年代不到1%，據說有些現代激光器能達到20%。
其次，在激光照射到空腔后，激光能量一部分轉化為X射線能量，另一部分轉化為熱量。這一過程只有10-20%的能量傳遞給了靶丸。
疊上這兩層Debuff之后，再加上激光在傳播過程中的損耗，真正照射到靶丸上的能量，已經變成了初始電能的不到1%。
而NIF所說能量增益方程式當中的，輸入能量，是沒有考慮這兩層debuff的，這顯然非常的雞賊。
那么，真正的輸出輸入能量比是多少呢。
這個概念在業內被稱為Q值。由于NIF并未公開具體的研究成果，所以我們不好直接計算。但據項目內部的物理學家Tammy Ma所說，每發2MJ激光，至少要消耗掉300MJ的電力。
所以實際Q值約為0.0067，而不是他們宣傳的1.89。
國際上通常認為，可控核聚變真正能開始商業發電，Q值至少要達到10，而在磁約束聚變，也就是托卡馬克路線上，由歐洲聯合環反應堆（JET）所保持的Q值記錄是0.67.
現在，我想大家應該能明白NIF的這個研究，在核聚變發電的歷史進程中，到底是個什么地位了。
03
既然不能拿來發電，那NIF在那兒宣傳個什么勁呢？
我覺得有兩個原因：
其一，這本來就不是人家的主業。
在NIF自我介紹中，他有三大職能：國家安全、科學研究和能源任務。
其中的國家安全，是保持美國在核武器儲備量上的威懾。科學研究，是通過制造出與恒星內部相似的環境，做基礎科學研究。而能源任務則被排到了最后。
就實際成果而言，國家安全方面咱們不得而知，不過相信大家也能看出，慣性約束核聚變，非常像是一個超級小當量的氫彈，在國際社會禁止核武器實驗的當下，它可以用來做核試驗的替代。而就科學研究而言，NIF就曾參與了極紫外光刻技術的研發，沒錯，就是那個芯片制造里卡了我們脖子的技術，也就是說它在研究核聚變過程中開發出的技術，比如說激光技術，還是很有用的。
其二，錢。
現在世界各國做科研就像在做產品，不僅要產品本身好，還要會營銷。營銷好，才有科研資金，有科研資金，才能做出更好的成果。在這一邏輯閉環中，營銷（吹牛逼）是不可或缺的一環。
“實現人類終極能源，可控核聚變”，這牛逼一吹出來，那種厚重感與使命感就上來了。營銷噱頭完爆核武器替代實驗或者虛無縹緲的中間技術。
這不，自從四次點火，實現所謂“凈能量增益”后，錢跟著就來了。12月12日，美國能源部宣布花4200萬美元建了慣性聚變研究中心，同時Annie Kritcher所在的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室還拿到了1600萬的聯邦資助。
但說實話，我個人非常不喜歡Annie Kritcher吹的這個牛逼。
你想要拿經費這本身沒有問題，但是你不應該嘗試去占，“第一個實現可控核聚變點火”這一榮譽。因為它是改變人類歷史的革命性發明，相當于普羅米修斯盜火，它應該屬于真正實現它的人。
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