位于洛杉磯的能源公司Tri-alpha Energy去年8月曾宣布他們制造出了一臺能讓超高溫的氫等離子體穩(wěn)定存在5毫秒的設(shè)備，雖然這個時間看起來很短，但它意味著目前在核聚變領(lǐng)域研究的方向是確實(shí)可行的。而最近他們在可控核聚變領(lǐng)域又取得了新的進(jìn)展，據(jù)報(bào)道，Tri-alpha Energy最近得到了5億美元的投資，他們正在集中精力，將實(shí)驗(yàn)室中的一些設(shè)備拆除然后重新建設(shè)一臺更大的裝置，并且計(jì)劃在2020年左右建造一臺可實(shí)現(xiàn)實(shí)用可控核聚變的原型反應(yīng)堆。

這些是實(shí)驗(yàn)室里現(xiàn)有的設(shè)備，它們很快就會被規(guī)模更大的機(jī)器取代，圖片來源，technologyreview

人類已經(jīng)掌握了相當(dāng)成熟的可控核裂變發(fā)電技術(shù)，但可控核聚變技術(shù)仍處在艱難的研究之中。核裂變雖然技術(shù)成熟，但缺點(diǎn)也相對明顯：如核廢料若處理不當(dāng)會相當(dāng)危險，所需燃料在自然界中相當(dāng)稀少且不可再生等。而核聚變的優(yōu)勢在于：燃料重水可以直接從海水中提煉，儲量幾乎無限，而核廢料的半衰期極短，幾乎不會造成污染。相比起核裂變發(fā)電，核聚變發(fā)電是更徹底解決能源危機(jī)的方式。

可是以目前的技術(shù)手段來說，核聚變面臨一個幾乎無法實(shí)現(xiàn)的困難：反應(yīng)需要上億度的高溫才能進(jìn)行。而目前人類還沒有找到任何能承受住這么高溫度的材料。如何將環(huán)境溫度加熱到一億度以上同樣是一個大問題。目前人類唯一實(shí)現(xiàn)了的核聚變反應(yīng)是不可控的——即氫彈的爆炸，而在氫彈爆炸過程中將溫度加熱到足夠的程度的方法是利用原子彈發(fā)生核爆產(chǎn)生的高溫，也就是說氫彈是使用原子彈來作為引信的。但這樣的聚變過程顯然沒法用來進(jìn)行發(fā)電，只有尋找到隨時控制反應(yīng)的開始、結(jié)束和進(jìn)行的速率的方法，才能將其用于和平用途。

前面提到核聚變面對的難題主要有兩類，都同高溫有關(guān)：如何將反應(yīng)所需的原料加熱到如此高溫的程度？以及當(dāng)把反應(yīng)物質(zhì)加熱到這種高溫的時候，如何能安全的容納它？

目前科學(xué)界普遍認(rèn)同的針對這兩個問題的解決方案分別是：用激光器加熱反應(yīng)物質(zhì)，和用磁場來約束反應(yīng)物質(zhì)讓其不接觸到容器的表面來防止容器被燒毀。

激光器加熱的效率比較高，而且不需要加熱器與被加熱物體產(chǎn)生直接的接觸。目前為了達(dá)到最高的加熱效率，激光器都被做成一個球形，發(fā)射器從被加熱物質(zhì)的所有方向同時開始加熱。目前美國在此領(lǐng)域的研究進(jìn)展是最快的，其“國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility）”正在實(shí)驗(yàn)將192個激光器同時聚焦于一點(diǎn)來進(jìn)行加熱的技術(shù)。

國家點(diǎn)火裝置，圖片來源，Wikipedia

對反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行約束則普遍認(rèn)為應(yīng)該交給磁場來完成，通過在環(huán)裝加速器內(nèi)產(chǎn)生磁場，參加反應(yīng)的帶電粒子由于電磁感應(yīng)會被約束在管道的中心而不會接觸到管壁，目前最通用的一種約束裝置叫托卡馬克裝置，由前蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的科學(xué)家發(fā)明，如下圖：

圖片來源，Wikipedia

但Tri Alpha采用的原理有所不同，它建造了一種叫“場反向配置（field-reversed configuration，F(xiàn)RC）”的裝置，除了中間看起來像插了幾根棍子進(jìn)去一樣，其他的部分看起來基本是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體。

Tri Alpha設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆原型示意圖，圖片來源，youtube

按照Tri Alpha的設(shè)想，在反應(yīng)時，需要反應(yīng)的物質(zhì)從兩頭以極高的速度向中央發(fā)射，目前的設(shè)備中碰撞的粒子產(chǎn)生的氣體云會達(dá)到反應(yīng)所需的高溫，目前他們能讓反應(yīng)物達(dá)到一千萬攝氏度左右的高溫。

反應(yīng)堆的理論模型，粒子在碰撞后產(chǎn)生的氣體云會馬上消散，圖片來源，youtube

但是如果沒有別的措施的話，這團(tuán)氣體云很快就會飄散，那幾根看起來像插在上面的棍子一樣的東西就是為解決這個問題而設(shè)置的。它們會發(fā)射出幾束高能粒子流，據(jù)Tri Alpha表示這可以有效延長氣體云穩(wěn)定存在的時間。

加上粒子流之后的效果，下圖表格左邊的曲線是沒有粒子流時的維持時間，右邊更亮的曲線是有粒子流時的維持時間，圖片來源，youtube

最近Tri Alpha在不斷的調(diào)整入射粒子流的角度和強(qiáng)度。據(jù)他們表示，現(xiàn)在氣體云存在的時間已經(jīng)達(dá)到了非常長的程度。足以開始下一步的實(shí)驗(yàn)。因此他們在多年的低調(diào)行事之后開始公布一些消息，還做出了一個官方網(wǎng)站。

調(diào)整后（上圖）的維持時間（下圖坐標(biāo)軸中的亮線）極大的增加了，圖片來源，youtube

如果可控核聚變真正實(shí)用化，意味著人類再也不用為能源而困擾。以目前的情況看來，如果想要解決日益迫切的能源危機(jī)，幾乎沒有比可控核聚變更現(xiàn)實(shí)的方案了。如果核聚變技術(shù)僅僅掌握在少數(shù)國家手里可能會導(dǎo)致一些科技寡頭的誕生，或許會引發(fā)一些意想不到的問題，但風(fēng)險永遠(yuǎn)與機(jī)遇并存，不能因噎廢食。無論如何，率先研發(fā)出可控核聚變的一個或一批國家在解決自身能源危機(jī)的同時也會在政治和經(jīng)濟(jì)上獲得極大的優(yōu)勢。這也是幾乎所有大國——包括中國都在拼命研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的原因之一。

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