008|什么是“能源圣杯”?

精挑细淘,得到头条。我是李南南。

今天,我们要做一场很硬核的科普。聊一个前不久刚刚发生在能源领域的大事。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室,简称LLNL,宣布他们首次实现可控核聚变。因为这个技术全程不产生任何污染,而且产生的能量巨大,因此被很多人称为能源圣杯。

你可能听说过这个新闻。因为有点难,我想先铺垫两句。你知道,咱们栏目一向只讲那些有意思、有价值、可以迁移到各行各业的通识性知识。太专业的几乎不碰。但是,有一类概念除外,就是那些特别受关注,已经破圈的前沿科技。这类科技影响我们的方式很特殊,它最开始,往往不是通过直接的技术改变,而是,先在商业世界经历一轮概念火爆,衍生出大量的创业公司、金融产品、商业活动。而最先影响到我们的,恰恰就是这些周边的商业产物。

因此,从这个角度看,我就更觉得,咱们得花点时间,对它有一点深入的了解。这能帮助你在面对跟这个概念相关的商业机会时,多一点判断的线索。

再看一眼这个词,可控核聚变。你最近可能在新闻上看到过很多标题,比如能源圣杯、人造太阳、人类的盗火时刻,等等。你不用记这些具体的名字,因为所有这些东西,它们最终对应的都是同一个底层技术,可控核聚变。因此,关键就是搞懂这五个字。而关于它,以及这回LLNL的新闻,我们大概需要知道三件事。

首先,核聚变为什么被称为能源圣杯?很简单,因为能量大,而且清洁安全。

注意,核聚变,可不是核裂变。现在的核电站,利用的是核裂变。也就是,一个较重的原子核,分裂,变成几个质量更小的原子核,然后在过程中释放能量。而核聚变,正好相反。是几个较轻的原子核,聚合成更重的原子核,过程中释放能量。

核聚变比核裂变,产生的能量要高得多。按照目前使用的材料,核聚变产生的能量大概是核裂变的4倍多。什么概念?大概1克原料,核聚变产生的能量转化成电能,就够一个人用几辈子。而且核聚变产生的核废料,半衰期极短,很快就会消失。就算反应堆泄漏,在外部环境下聚变没法继续。说白了,它几乎不存在核泄漏的风险,因此被称为清洁能源的未来。能源圣杯这个称呼,就是这么来的。这是咱们今天要搞懂的第一个问题。

你看,太阳之所以有那么高的热量,就是因为核聚变。那么,怎么才能人为触发核聚变呢?首先,你需要极大的能量输入。比如太阳,内部温度高达1500万摄氏度。但是,对于引发核聚变来说,这点温度根本不够。因此,还需要高压。太阳提供了极大的压力,才使得核聚变发生。

而好消息是,这一步,人类已经找到方法克服了。虽然没有太阳那么大的压力,但是,人类可以用热量来弥补。目前人类已经能制造出上亿摄氏度的高温,这足以触发核聚变。

但是,仅仅有能量还不够,因为即使有足够的能量触发核聚变,你还得能捕捉住这个反应物。这个过程用专业术语讲叫约束。过程很复杂。我们打个简单的比喻。就好比,你激活了一匹马的野性,让它充满干劲。但是,你要是约束不住它,它就跑了,不为你所用。这就是核聚变目前要攻克的技术难题,约束。

怎么实现约束?有这么几种方式。首先,是重力,也就是根据万有引力,你的质量够大,你就能吸住反应物。太阳靠的就是重力。但显然,人类实现不了太阳那么大的重力。其次,是用磁力。就是利用磁力来吸住反应物,让它无法逃走。这是目前使用的最主流的方式。咱们中国正在研发的可控核聚变,用的就是磁力约束。在这里要特别说一下,中国正在研究的可控核聚变,也就是俗称的人造太阳技术,已经在全世界,处在一个非常前端的水平。

还有第三种,叫惯性约束。这回LLNL用的就是这个技术。这个原理比较有意思。简单说,就是通过激光照射,给反应物提供能量。为什么叫惯性约束呢?我们大概可以这么理解。用激光射击反应物,就好比你突然抽了一匹马一鞭子,马在那一瞬间产生了巨大的能量,同时,因为挨了一鞭子,它也肯定得跑。但是,因为你动作快,这一鞭子抽过去,还没等马反应过来,它还维持在原来那个惯性的状态里,你就已经把能量搜集走了。

这个技术并不是刚出现。但问题是,一直以来,输入的激光能量,都要大于输出。但就在这个月,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室,第一回实现了,输出能量,大于输入。

这就是咱们今天要搞懂的第二个重点。LLNL的进展有多大?这是人类历史第一回,在核聚变这件事上,赚到了。

注意,所谓可控核聚变,可控指的可不是你不发生意外,不泄漏就算可控,而是你要实现输出大于输入,这才叫可控。而能源回报率大于1,这是这个实验受到全世界瞩目的第一,也差不多是唯一原因。

用专业术语讲,这叫增益大于1。这个增益,就是能量收获,除以能量输出。这个实验室的简称是LLNL,全程用的能量,都是激光。也就是,通过激光照射给实验装置加热,从而引发核聚变。而激光的英文是laser。因此这个实验室的负责人就开玩笑说,LLNL的意思就是,Laser,Laser,Nothing but,Laser。意思是,除了激光,还是激光。

那么,这个技术离应用还有多远呢?这就是咱们要说的第三个重点。这回LLNL的进展有多小?

注意,这里说的小,不是说这个技术不厉害,而是单纯指,它在空间意义上的小。这个实验规模有多小呢?整个LLNL的实验室,大概有几个足球场那么大。但这些都是外围设备。具体到这回实验的核心部分,整个反应器,大概只有一个乒乓球那么大。而再进一步到反应物,也就是用来发生核聚变的物质,大概只有一粒黄豆大小。

没错,我们今天说的所有这些,都只是发生在这个黄豆大小的东西身上。

你可能会说,假如把这个实验等比放大,把所有的东西加大几倍,行不行?至少目前看,不行。咱们先不说别的,单说其中的工程难度。比如,用激光照射反应物。这回一共用了192束激光,从不同的角度给反应器加热。但问题是,这192束激光,必须极其均匀对称。就好比,有192个人同时踢一个球。这192个人必须得以完全对称的角度,一模一样的力道,同时踢到这个球。你觉得它复杂吗?不复杂。但是难不难?极难。

这就是工程化的难点。当年咱们中国造华龙一号,其中一个设备,叫汽轮机低压转子,这个东西有285吨。但是安装时,要求精度是2丝。什么概念?大概是一根头发的三分之一粗细。你在工程化的过程中,要克服很多类似的精度问题。

其次,说这回的进展有多小,指的是时间意义上的小。我们说的所有这些反应,实际只发生在1秒不到的时间里。而它产生的总热量,大概是3.15兆焦,有多少呢?大概1度电,能烧开20壶水。假如要应用,你得让这样的反应全天发生才行。

这就是咱们今天需要搞懂的第三个关键。这项技术在科学层面上意义很大,但是离实际应用,还有相当一段距离。

但是,这可并不是说,它在大规模应用之前,不会影响我们的生活。最后,我想带你建立两个,观察新技术的视角。

第一个,是商业视角。前面说过,大多数新技术,在它本身影响你的生活之前,会先在商业世界经历一轮概念火爆。要知道,科技进展代表的是能力极限,而商业力量代表的是一部分民间共识。这意味着,这件事参与的人将越来越多,它可能会进入一个加速发展期。根据美国核聚变工业协会的数据,在过去一段时间,核聚变领域的投资涨幅超过100%,私人投资核聚变领域的资金达到了28.3亿美元。再看国内,就在今年,主攻人造太阳领域的能量奇点,还有星环聚能,都获得了几个亿的天使轮融资。这些金融活动,可能在技术到来之前,就已经开始影响我们。

第二个,是副产品视角。过去,我们在观察一个新技术时,总是习惯看这个技术本身。但事实上,越是厉害的技术,在研究的过程中,就一定会附带着产生很多高价值的副产品。比如核电技术,其中一个副产品是核消毒技术,现在很多医用产品的消毒效率之所以那么高,都是拜这个技术所赐。一流的核心技术,也会产生一流的副产品。也许在核心技术出现之前,这个副产品,就已经开始投入应用。

因此,面对新技术,我感觉最好的姿态,借用以前跨年演讲上的一句话,那就是,坚定地想象,一个小变量,长大以后的样子。带着这个视角,最后,请你再看看这粒只有黄豆大小的东西。我建议你把这张图片保存下来,等这个技术长大后再拿出来看看,你会别有一番感受。

好,今天先聊到这。《得到头条》,明天见。

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