可控超導儲能實驗裝置

㈧ 可控核聚變新方法顛覆了預期，無招勝有招，第一盞燈即將點燃

昨天看到一則消息，顛覆了我對可控核聚變未來的預期。一個名不見經傳的小初創公司Zap Engergy，正在通過一種全新的方法，既省了錢，又取得了重大突破。一些業內專家和媒體對這個技術評價極高，認為是可控核聚變技術的一個重要里程碑。

現在，Zap Engergy正在努力將這種技術模塊化，宣稱不久的將來將推向市場。這次突破真的會大大縮短可控核聚變的商業化進程嗎？我們來了解一下。

可控核聚變就是利用太陽內部核聚變的原理，在地球上創造出長久釋放的氫核聚變能源，用於造福 社會 。其實氫彈爆炸就是核聚變的能量，但是不可控的，「轟」的一聲就沒了，除了戰爭，不能造福 社會 。

而可控核聚變就是讓這個「轟」的一聲瞬間釋放的巨大能量，變成慢慢釋放，這樣就可以發電，在相當長時期得到取之不盡用之不竭的能源。由於這種能源的產生方式類似於太陽，因此俗稱人造太陽或人造小太陽。

但太陽核心能夠源源不斷地持續發生氫核聚變，是因為太陽質量巨大，導致的向心巨大收縮壓力下形成的，這個壓力達到3000億個大氣壓。地球上無法人造出這種壓力，就需要比太陽核心1500萬度更高的溫度，這個溫度需要1億度以上。

這樣問題就來了，如何讓等離子體加熱到1億度呢？而且地球上最耐熱的金屬才幾千度就融化了，用什麼容器將核聚變幾萬個幾千度的等離子體「裝住」呢？又如何讓這高溫的等離子體發出電來呢？這就成可控核聚變需要解決的幾大難題。

科學家們弄了幾十年，如今終於有點眉目了。解決把核聚變高溫等離子體「裝住」的方法有三個，即磁約束、慣性約束、重力約束，這幾種方法都是非物質約束方法，就是不讓高溫等離子體碰到容器內壁。

重力約束就是太陽這種方法，地球上做不到，人們就只能從磁約束和慣性約束來想辦法了。前蘇聯科學家早在上世紀50年代就發明了一種叫托卡馬克的裝置，這種裝置是通過線圈在內部產生磁阱，將高溫等離子體約束在磁阱里。

採用托卡馬克裝置研發可控核聚變技術，是經典的磁約束方法，處於世界主流地位。中國自主研製出非圓截面全超導托卡馬克實驗裝置，簡稱EAST，目前處於世界領先地位。在試驗中，已經取得幾項世界領先成就，如7000萬度長脈沖高參數等離子體維持運行1056秒，等離溫度1.2億度運行時間達到101秒，實現了1兆安等離子體單溜等。

許多國家，如美、英、日等國的可控核聚變也都取得了進展，都可以產生能量了，但都維持時間太短，而且即便發了點，輸出能量還不足。下一步需要解決的主要問題就是，讓核聚變的等離子體能夠長時間穩定持續燃燒，並且輸出的能量要大大高於輸入的能量，符號表示就是達到Q=1以上。

這些問題說起來很簡單，但做起來談何容易。因此，世界各路專家大體一致認為，要真正讓可控核聚變實現商業化運用，至少還需要30年左右甚至更長時間。

中國也做出了自己的規劃，在2025年實現Q=5，並逐步達到Q=10；2030年實現示範工程發電，在Q=5條件下實現200MW發電，初步達到Q=10穩態發電1GW。

從這個計劃安排來看，如果能夠順利實現，最早也要到2030年才能在試運行中點亮第一盞燈，真正形成商業發電還要到2050年。

所謂慣性約束，就 是利用 粒子 的慣性作用來約束粒子本身，從而實現 核聚變反應 的一種方法。比較經典的方法是採用高能激光或帶電粒子束照射極小的靶丸，導致靶面物質迅速消融並向外猛烈噴射，而噴射的反作用力形成向內傳播的沖擊波，形成極大的壓力將靶丸內的氫同位素氘和氚發生聚變。

這種技術也是早在上世紀六十年代就提出了，前蘇聯和美國都進行了大量試驗，我國自2000年以來，也開始了這項試驗，但至今這項技術還沒有取得重大突破，都還處於實驗室試驗階段。

今年五月，有報道稱英國一家叫 First Light Fusion的 公司另闢蹊徑，通過高速彈射技術來引發核聚變。具體是通過兩支大型超級空氣加速槍，將燃料加速到10~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小塊，形成崩潰沖擊波，瞬間壓力達到10億個大氣壓，導致燃料快以足夠高的速度自爆，從而實現核融合反應。

核聚變的高溫會將水加熱產生蒸氣，通過驅動渦輪機帶動發電機轉為電能，這樣就實現了可控核聚變發電。

研發出這種裝置是受到海洋槍蝦的啟發。槍蝦又叫鼓蝦，身長約5厘米，生活在熱帶海洋的淺水區。這種蝦有一種「黑 科技 」武器，攻擊獵物時會瞬間噴射出一股時速高達100公里的水流，形成一個極小的低壓氣泡，這個氣泡從產生到破裂只需10億分之一秒，爆破時瞬間溫度達到4700度，被這氣泡沖擊波擊中的獵物很難逃過一劫。

由此， First Light Fusio公司開發的高速「氣槍」就以「槍蝦」命名。據稱這種「槍蝦」核聚變方式，距離發電理想大大前進了一步，且相比採用昂貴的高能激光發射器，成本低多了。目前該公司計劃採用這種技術，在2030年開辦一個實驗工廠來生產電力。

這完全稱得上是一匹黑馬，是慣性約束可控核聚變開發方面的一支奇葩，是真正的創新和彎道超車，目前很被看好。

根據報道，這家位於西雅圖的初創公司 開發了一套叫 Z-pinch的系統，這套裝置採用的是一條與托卡馬克裝置完全不同的路線，摒棄了托馬斯克裝置中大量昂貴的磁鐵、磁線圈、屏蔽材料，以及為了保護它們需要的復雜網路，只是利用等離子體本身的磁場，將自己約束在一個相對較短的柱子里。

報道採用了一個形象的比喻：將等離子體「釘在」柱子里，並「夾住」它。等離子體本身就是帶電的，理論上當然也可以形成磁場和磁阱。報道里只說這種技術叫「 剪切軸流技術 」，沒有更多地披露技術細節。我們也沒有必要去深究它，這些是專業人員的事情。

我們現在知道的是，這項技術已經成功了，並且在500千安培電流下進行了演示。Zap Engergy的首席技術官表示，這套裝置叫 FuZE-Q，是第四代Z-pinch設備，下一代將設計為可容納650千安培的電流，實現收支平衡點，即Q=1。

目前Zap Energy團隊拿到了1.6億美元的C輪融資，雄心勃勃的宣稱，下一步將盡快將這項核聚變技術推向市場。 他們設想通過大規模製造反應堆來實現這一目標，這些反應堆將實現模塊化，小到可以放在車庫里。

這樣，這些模塊就既可以部署在偏遠社區提供電力，也可以組合起來形成大規模集合體，提供整個城市電力。這種裝置不像經典的托卡馬克裝置和慣性約束那樣，需要昂貴的材料，成本大大下降，更容易被 社會 接受和普及。

那麼，這幾種從經典可控核聚變技術中脫穎而出的新技術，會不會對各國的經典常規技術造成打擊和沖擊呢？目前很難判斷。但我覺得， First Light Fusio和 Zap Engergy這兩家初創公司的技術的確很令人震撼和大開眼界。

當實力雄厚的世界級大公司和國家扶持的頂級研究機構，幾十年如一日孜孜不倦地沉浸於經典技術中，一點一點往前挪動時，這幾個小公司卻獨辟蹊徑原創性地開辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又縮短了預期，這似乎才是真正地彎道超車，無招勝有招啊。

當然，華山論劍，誰主沉浮，還未有定數；是騾子是馬，還得拉出來溜溜；誰能點亮世界上可控核聚變商業運用的第一盞燈，才是王者。會是我們嗎？希望是，但還須拭目以待。

今天就說這些，歡迎討論，感謝閱讀。

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㈨ 超導技術應用

超導技術是一項具有重要應用價值和巨大開發前景的高技術，它在軍事上的潛在應用可分為強磁和弱磁兩大類。 超導強磁技術主要是利用超導材料能夠產生很高的穩態強磁場，據此將可製成超導儲能裝置、超導電機和電磁推進裝置。①超導儲能裝置。這種儲能裝置將可長時期儲存大量的能量，然後根據需要加以釋放。大型超導儲能系統(儲能10�焦耳)將可作為陸基自由電子激光器或天基定向能武器的功率源。②超導電機。這種電機的體積和質量將比常規電機顯著縮小，功率成倍增長，效率大大提高，可為武器裝備提供動力。③電磁推進裝置。用超導強磁材料製造的電磁推進裝置，把電能直接轉變為動力，將能以很高的速度推進大質量的物體，在軍事上用作艦艇的動力裝置，可消除傳動雜訊，提高隱蔽性；也可用作電磁炮的動力裝置。 超導弱磁技術的理論基礎是約瑟夫森效應。利用這種效應製成的超導電子器件，將具有功耗低、雜訊小、靈敏度高、反應速度快等特點，可進行高精度、弱信號的電磁測量，也可用作超高速電子計算機元器件等。主要的超導電子器件有：①超導弱磁探測器件。超導量子干涉儀、電磁感測器和磁強計等，對磁場和電磁輻射的靈敏度比常規器件高得多，可用於軍事偵察。②超導計算機。採用約瑟夫森器件的超導計算機，運算速度將比普通計算機快幾十倍，功耗減少到千分之一以下，散熱性能很好。③超導高頻探測器。如超導紅外探測器、參量放大器、混頻器、功率放大器等，將使空間監視、通信、導航、氣象和武器系統的性能遠遠超過利用常規器件時的性能。

㈩ 中科院的全超導的「人造太陽」——托克馬克核聚變試驗裝置的調試運行成功，使我國在該領域的研究處於世界

可控核聚變俗稱人造太陽，因為太陽的原理就是核聚變反應。（核聚變反應主要藉助氫同位素。核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料，當然也不產生溫室氣體，基本不污染環境）人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。科學家們希望發明一種裝置，可以有效控制「氫彈爆炸」的過程，讓能量持續穩定的輸出。科學家們把這類裝置比喻為「人造太陽」。
為實現磁力約束，需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置，這種裝置就被稱作「托克馬克裝置」——TOKAMAK，也就是俄語中是由「環形」、「真空」、「磁」、「線圈」的字頭組成的縮寫。早在1954年，在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一個托卡馬克裝置。貌似很順利吧？其實不然，要想能夠投入實際使用，必須使得輸入裝置的能量遠遠小於輸出的能量才行，我們稱作能量增益因子——Q值。當時的托卡馬克裝置是個很不穩定的東西，搞了十幾年，也沒有得到能量輸出，直到1970年，前蘇聯才在改進了很多次的托卡馬克裝置上第一次獲得了實際的能量輸出，不過要用當時最高級設備才能測出來，Q值大約是10億分之一。別小看這個十億分之一，這使得全世界看到了希望，於是全世界都在這種激勵下大幹快上，紛紛建設起自己的大型托卡馬克裝置，歐洲建設了聯合環-JET,蘇聯建設了T20（後來縮水成了T15，線圈小了，但是上了超導），日本的JT-60和美國的TFTR（托卡馬克聚變實驗反應器的縮寫）。這些托卡馬克裝置一次次把能量增益因子（Q）值的紀錄刷新，1991年歐洲的聯合環實現了核聚變史上第一次氘－氚運行實驗，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚變反應持續了2秒鍾，獲得了0.17萬千瓦輸出功率，Q值達0.12。1993年，美國在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，Q值達到了0.28。1997年9月，聯合歐洲環創1.29萬千瓦的世界紀錄，Q值達0.60，持續了2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦， Q值達到0.65。三個月以後，日本的JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應，Q值可以達到1。後來，Q值又超過了1.25。這是第一次Q值大於1，盡管氘-氘反應是不能實用的（這個後面再說），但是托卡馬克理論上可以真正產生能量了。在這個大環境下，中國也不例外，在70年代就建設了數個實驗托卡馬克裝置——環流一號（HL-1）和CT-6，後來又建設了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了環流2號。有種說法，說中國的托卡馬克裝置研究是從俄羅斯贈送設備開始的，這是不對的，HT6/HL1的建設都早於俄羅斯贈送的HT-7系統。HT-7以前，中國的幾個設備都是普通的托卡馬克裝置，而俄羅斯贈送的HT-7則是中國第一個「超脫卡馬克」裝置。什麼是「超脫卡馬克裝置」呢？回過頭來說，托卡馬克裝置的核心就是磁場，要產生磁場就要用線圈，就要通電，有線圈就有導線，有導線就有電阻。托卡馬克裝置越接近實用就要越強的磁場，就要給導線通過越大的電流，這個時候，導線里的電阻就出現了，電阻使得線圈的效率降低，同時限制通過大的電流，不能產生足夠的磁場。托卡馬克貌似走到了盡頭。幸好，超導技術的發展使得托卡馬克峰迴路轉，只要把線圈做成超導體，理論上就可以解決大電流和損耗的問題，於是，使用超導線圈的托卡馬克裝置就誕生了，這就是超脫卡馬克。目前為止，世界上有4個國家有各自的大型超脫卡馬克裝置，法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。除了EAST以外，其他四個大概都只能叫「准超托卡馬克」，它們的水平線圈是超導的，垂直線圈則是常規的，因此還是會受到電阻的困擾。此外他們三個的線圈截面都是圓形的，而為了增加反應體的容積，EAST則第一次嘗試做成了非原型截面。此外，在建的還有德國的螺旋石-7，規模比EAST大，但是技術水平差不多。