可控超导储能实验装置

㈧ 可控核聚变新方法颠覆了预期，无招胜有招，第一盏灯即将点燃

昨天看到一则消息，颠覆了我对可控核聚变未来的预期。一个名不见经传的小初创公司Zap Engergy，正在通过一种全新的方法，既省了钱，又取得了重大突破。一些业内专家和媒体对这个技术评价极高，认为是可控核聚变技术的一个重要里程碑。

现在，Zap Engergy正在努力将这种技术模块化，宣称不久的将来将推向市场。这次突破真的会大大缩短可控核聚变的商业化进程吗？我们来了解一下。

可控核聚变就是利用太阳内部核聚变的原理，在地球上创造出长久释放的氢核聚变能源，用于造福 社会 。其实氢弹爆炸就是核聚变的能量，但是不可控的，“轰”的一声就没了，除了战争，不能造福 社会 。

而可控核聚变就是让这个“轰”的一声瞬间释放的巨大能量，变成慢慢释放，这样就可以发电，在相当长时期得到取之不尽用之不竭的能源。由于这种能源的产生方式类似于太阳，因此俗称人造太阳或人造小太阳。

但太阳核心能够源源不断地持续发生氢核聚变，是因为太阳质量巨大，导致的向心巨大收缩压力下形成的，这个压力达到3000亿个大气压。地球上无法人造出这种压力，就需要比太阳核心1500万度更高的温度，这个温度需要1亿度以上。

这样问题就来了，如何让等离子体加热到1亿度呢？而且地球上最耐热的金属才几千度就融化了，用什么容器将核聚变几万个几千度的等离子体“装住”呢？又如何让这高温的等离子体发出电来呢？这就成可控核聚变需要解决的几大难题。

科学家们弄了几十年，如今终于有点眉目了。解决把核聚变高温等离子体“装住”的方法有三个，即磁约束、惯性约束、重力约束，这几种方法都是非物质约束方法，就是不让高温等离子体碰到容器内壁。

重力约束就是太阳这种方法，地球上做不到，人们就只能从磁约束和惯性约束来想办法了。前苏联科学家早在上世纪50年代就发明了一种叫托卡马克的装置，这种装置是通过线圈在内部产生磁阱，将高温等离子体约束在磁阱里。

采用托卡马克装置研发可控核聚变技术，是经典的磁约束方法，处于世界主流地位。中国自主研制出非圆截面全超导托卡马克实验装置，简称EAST，目前处于世界领先地位。在试验中，已经取得几项世界领先成就，如7000万度长脉冲高参数等离子体维持运行1056秒，等离温度1.2亿度运行时间达到101秒，实现了1兆安等离子体单溜等。

许多国家，如美、英、日等国的可控核聚变也都取得了进展，都可以产生能量了，但都维持时间太短，而且即便发了点，输出能量还不足。下一步需要解决的主要问题就是，让核聚变的等离子体能够长时间稳定持续燃烧，并且输出的能量要大大高于输入的能量，符号表示就是达到Q=1以上。

这些问题说起来很简单，但做起来谈何容易。因此，世界各路专家大体一致认为，要真正让可控核聚变实现商业化运用，至少还需要30年左右甚至更长时间。

中国也做出了自己的规划，在2025年实现Q=5，并逐步达到Q=10；2030年实现示范工程发电，在Q=5条件下实现200MW发电，初步达到Q=10稳态发电1GW。

从这个计划安排来看，如果能够顺利实现，最早也要到2030年才能在试运行中点亮第一盏灯，真正形成商业发电还要到2050年。

所谓惯性约束，就 是利用 粒子 的惯性作用来约束粒子本身，从而实现 核聚变反应 的一种方法。比较经典的方法是采用高能激光或带电粒子束照射极小的靶丸，导致靶面物质迅速消融并向外猛烈喷射，而喷射的反作用力形成向内传播的冲击波，形成极大的压力将靶丸内的氢同位素氘和氚发生聚变。

这种技术也是早在上世纪六十年代就提出了，前苏联和美国都进行了大量试验，我国自2000年以来，也开始了这项试验，但至今这项技术还没有取得重大突破，都还处于实验室试验阶段。

今年五月，有报道称英国一家叫 First Light Fusion的 公司另辟蹊径，通过高速弹射技术来引发核聚变。具体是通过两支大型超级空气加速枪，将燃料加速到10~20倍音速，射向嵌入氘燃料芯的小块，形成崩溃冲击波，瞬间压力达到10亿个大气压，导致燃料快以足够高的速度自爆，从而实现核融合反应。

核聚变的高温会将水加热产生蒸气，通过驱动涡轮机带动发电机转为电能，这样就实现了可控核聚变发电。

研发出这种装置是受到海洋枪虾的启发。枪虾又叫鼓虾，身长约5厘米，生活在热带海洋的浅水区。这种虾有一种“黑 科技 ”武器，攻击猎物时会瞬间喷射出一股时速高达100公里的水流，形成一个极小的低压气泡，这个气泡从产生到破裂只需10亿分之一秒，爆破时瞬间温度达到4700度，被这气泡冲击波击中的猎物很难逃过一劫。

由此， First Light Fusio公司开发的高速“气枪”就以“枪虾”命名。据称这种“枪虾”核聚变方式，距离发电理想大大前进了一步，且相比采用昂贵的高能激光发射器，成本低多了。目前该公司计划采用这种技术，在2030年开办一个实验工厂来生产电力。

这完全称得上是一匹黑马，是惯性约束可控核聚变开发方面的一支奇葩，是真正的创新和弯道超车，目前很被看好。

根据报道，这家位于西雅图的初创公司 开发了一套叫 Z-pinch的系统，这套装置采用的是一条与托卡马克装置完全不同的路线，摒弃了托马斯克装置中大量昂贵的磁铁、磁线圈、屏蔽材料，以及为了保护它们需要的复杂网络，只是利用等离子体本身的磁场，将自己约束在一个相对较短的柱子里。

报道采用了一个形象的比喻：将等离子体“钉在”柱子里，并“夹住”它。等离子体本身就是带电的，理论上当然也可以形成磁场和磁阱。报道里只说这种技术叫“ 剪切轴流技术 ”，没有更多地披露技术细节。我们也没有必要去深究它，这些是专业人员的事情。

我们现在知道的是，这项技术已经成功了，并且在500千安培电流下进行了演示。Zap Engergy的首席技术官表示，这套装置叫 FuZE-Q，是第四代Z-pinch设备，下一代将设计为可容纳650千安培的电流，实现收支平衡点，即Q=1。

目前Zap Energy团队拿到了1.6亿美元的C轮融资，雄心勃勃的宣称，下一步将尽快将这项核聚变技术推向市场。 他们设想通过大规模制造反应堆来实现这一目标，这些反应堆将实现模块化，小到可以放在车库里。

这样，这些模块就既可以部署在偏远社区提供电力，也可以组合起来形成大规模集合体，提供整个城市电力。这种装置不像经典的托卡马克装置和惯性约束那样，需要昂贵的材料，成本大大下降，更容易被 社会 接受和普及。

那么，这几种从经典可控核聚变技术中脱颖而出的新技术，会不会对各国的经典常规技术造成打击和冲击呢？目前很难判断。但我觉得， First Light Fusio和 Zap Engergy这两家初创公司的技术的确很令人震撼和大开眼界。

当实力雄厚的世界级大公司和国家扶持的顶级研究机构，几十年如一日孜孜不倦地沉浸于经典技术中，一点一点往前挪动时，这几个小公司却独辟蹊径原创性地开辟出自己的一片新天地，既大大降低了成本，又缩短了预期，这似乎才是真正地弯道超车，无招胜有招啊。

当然，华山论剑，谁主沉浮，还未有定数；是骡子是马，还得拉出来溜溜；谁能点亮世界上可控核聚变商业运用的第一盏灯，才是王者。会是我们吗？希望是，但还须拭目以待。

今天就说这些，欢迎讨论，感谢阅读。

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㈨ 超导技术应用

超导技术是一项具有重要应用价值和巨大开发前景的高技术，它在军事上的潜在应用可分为强磁和弱磁两大类。 超导强磁技术主要是利用超导材料能够产生很高的稳态强磁场，据此将可制成超导储能装置、超导电机和电磁推进装置。①超导储能装置。这种储能装置将可长时期储存大量的能量，然后根据需要加以释放。大型超导储能系统(储能10�焦耳)将可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源。②超导电机。这种电机的体积和质量将比常规电机显著缩小，功率成倍增长，效率大大提高，可为武器装备提供动力。③电磁推进装置。用超导强磁材料制造的电磁推进装置，把电能直接转变为动力，将能以很高的速度推进大质量的物体，在军事上用作舰艇的动力装置，可消除传动噪声，提高隐蔽性；也可用作电磁炮的动力装置。 超导弱磁技术的理论基础是约瑟夫森效应。利用这种效应制成的超导电子器件，将具有功耗低、噪声小、灵敏度高、反应速度快等特点，可进行高精度、弱信号的电磁测量，也可用作超高速电子计算机元器件等。主要的超导电子器件有：①超导弱磁探测器件。超导量子干涉仪、电磁传感器和磁强计等，对磁场和电磁辐射的灵敏度比常规器件高得多，可用于军事侦察。②超导计算机。采用约瑟夫森器件的超导计算机，运算速度将比普通计算机快几十倍，功耗减少到千分之一以下，散热性能很好。③超导高频探测器。如超导红外探测器、参量放大器、混频器、功率放大器等，将使空间监视、通信、导航、气象和武器系统的性能远远超过利用常规器件时的性能。

㈩ 中科院的全超导的“人造太阳”——托克马克核聚变试验装置的调试运行成功，使我国在该领域的研究处于世界

可控核聚变俗称人造太阳，因为太阳的原理就是核聚变反应。（核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境）人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。科学家们希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。科学家们把这类装置比喻为“人造太阳”。
为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，这种装置就被称作“托克马克装置”——TOKAMAK，也就是俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”的字头组成的缩写。早在1954年，在原苏联库尔恰托夫原子能研究所就建成了世界上第一个托卡马克装置。貌似很顺利吧？其实不然，要想能够投入实际使用，必须使得输入装置的能量远远小于输出的能量才行，我们称作能量增益因子——Q值。当时的托卡马克装置是个很不稳定的东西，搞了十几年，也没有得到能量输出，直到1970年，前苏联才在改进了很多次的托卡马克装置上第一次获得了实际的能量输出，不过要用当时最高级设备才能测出来，Q值大约是10亿分之一。别小看这个十亿分之一，这使得全世界看到了希望，于是全世界都在这种激励下大干快上，纷纷建设起自己的大型托卡马克装置，欧洲建设了联合环-JET,苏联建设了T20（后来缩水成了T15，线圈小了，但是上了超导），日本的JT-60和美国的TFTR（托卡马克聚变实验反应器的缩写）。这些托卡马克装置一次次把能量增益因子（Q）值的纪录刷新，1991年欧洲的联合环实现了核聚变史上第一次氘－氚运行实验，使用6：1的氘氚混合燃料，受控核聚变反应持续了2秒钟，获得了0.17万千瓦输出功率，Q值达0.12。1993年，美国在TFTR上使用氘、氚1：1的燃料，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦，Q值达到了0.28。1997年9月，联合欧洲环创1.29万千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续了2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。三个月以后，日本的JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应，Q值可以达到1。后来，Q值又超过了1.25。这是第一次Q值大于1，尽管氘-氘反应是不能实用的（这个后面再说），但是托卡马克理论上可以真正产生能量了。在这个大环境下，中国也不例外，在70年代就建设了数个实验托卡马克装置——环流一号（HL-1）和CT-6，后来又建设了HT-6,HT-6B，以及改建了HL1M，新建了环流2号。有种说法，说中国的托卡马克装置研究是从俄罗斯赠送设备开始的，这是不对的，HT6/HL1的建设都早于俄罗斯赠送的HT-7系统。HT-7以前，中国的几个设备都是普通的托卡马克装置，而俄罗斯赠送的HT-7则是中国第一个“超脱卡马克”装置。什么是“超脱卡马克装置”呢？回过头来说，托卡马克装置的核心就是磁场，要产生磁场就要用线圈，就要通电，有线圈就有导线，有导线就有电阻。托卡马克装置越接近实用就要越强的磁场，就要给导线通过越大的电流，这个时候，导线里的电阻就出现了，电阻使得线圈的效率降低，同时限制通过大的电流，不能产生足够的磁场。托卡马克貌似走到了尽头。幸好，超导技术的发展使得托卡马克峰回路转，只要把线圈做成超导体，理论上就可以解决大电流和损耗的问题，于是，使用超导线圈的托卡马克装置就诞生了，这就是超脱卡马克。目前为止，世界上有4个国家有各自的大型超脱卡马克装置，法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他四个大概都只能叫“准超托卡马克”，它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。此外他们三个的线圈截面都是圆形的，而为了增加反应体的容积，EAST则第一次尝试做成了非原型截面。此外，在建的还有德国的螺旋石-7，规模比EAST大，但是技术水平差不多。