Tri-Alpha 的新能源之夢：5 毫秒的可控核聚變和 5 億美元的豪賭
位於洛杉磯的能源公司Tri-alpha Energy去年8月曾宣佈他們製造出了一台能讓超高温的氫等離子體穩定存在5毫秒的設備，雖然這個時間看起來很短，但它意味着目前在核聚變領域研究的方向是確實可行的。而最近他們在可控核聚變領域又取得了新的進展，據報道，Tri-alpha Energy最近得到了5億美元的投資，他們正在集中精力，將實驗室中的一些設備拆除然後重新建設一台更大的裝置，並且計劃在2020年左右建造一台可實現實用可控核聚變的原型反應堆。
這些是實驗室裏現有的設備，它們很快就會被規模更大的機器取代，圖片來源，technologyreview
人類已經掌握了相當成熟的可控核裂變發電技術，但可控核聚變技術仍處在艱難的研究之中。核裂變雖然技術成熟，但缺點也相對明顯：如核廢料若處理不當會相當危險，所需燃料在自然界中相當稀少且不可再生等。而核聚變的優勢在於：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。相比起核裂變發電，核聚變發電是更徹底解決能源危機的方式。
可是以目前的技術手段來説，核聚變面臨一個幾乎無法實現的困難：反應需要上億度的高温才能進行。而目前人類還沒有找到任何能承受住這麼高温度的材料。如何將環境温度加熱到一億度以上同樣是一個大問題。目前人類唯一實現了的核聚變反應是不可控的——即氫彈的爆炸，而在氫彈爆炸過程中將温度加熱到足夠的程度的方法是利用原子彈發生核爆產生的高温，也就是説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行發電，只有尋找到隨時控制反應的開始、結束和進行的速率的方法，才能將其用於和平用途。
前面提到核聚變面對的難題主要有兩類，都同高温有關：如何將反應所需的原料加熱到如此高温的程度？以及當把反應物質加熱到這種高温的時候，如何能安全的容納它？
目前科學界普遍認同的針對這兩個問題的解決方案分別是：用激光器加熱反應物質，和用磁場來約束反應物質讓其不接觸到容器的表面來防止容器被燒燬。
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生直接的接觸。目前為了達到最高的加熱效率，激光器都被做成一個球形，發射器從被加熱物質的所有方向同時開始加熱。目前美國在此領域的研究進展是最快的，其“國家點火裝置（National Ignition Facility）”正在實驗將192個激光器同時聚焦於一點來進行加熱的技術。
國家點火裝置，圖片來源，Wikipedia
對反應物質進行約束則普遍認為應該交給磁場來完成，通過在環裝加速器內產生磁場，參加反應的帶電粒子由於電磁感應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託卡馬克裝置，由前蘇聯庫爾恰托夫研究所的科學家發明，如下圖：
圖片來源，Wikipedia
但Tri Alpha採用的原理有所不同，它建造了一種叫“場反向配置（field-reversed configuration，FRC）”的裝置，除了中間看起來像插了幾根棍子進去一樣，其他的部分看起來基本是標準的圓柱體。
Tri Alpha設計的反應堆原型示意圖，圖片來源，youtube
按照Tri Alpha的設想，在反應時，需要反應的物質從兩頭以極高的速度向中央發射，目前的設備中碰撞的粒子產生的氣體雲會達到反應所需的高温，目前他們能讓反應物達到一千萬攝氏度左右的高温。
反應堆的理論模型，粒子在碰撞後產生的氣體雲會馬上消散，圖片來源，youtube
但是如果沒有別的措施的話，這團氣體雲很快就會飄散，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置的。它們會發射出幾束高能粒子流，據Tri Alpha表示這可以有效延長氣體雲穩定存在的時間。
加上粒子流之後的效果，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在不斷的調整入射粒子流的角度和強度。據他們表示，現在氣體雲存在的時間已經達到了非常長的程度。足以開始下一步的實驗。因此他們在多年的低調行事之後開始公佈一些消息，還做出了一個官方網站。
調整後（上圖）的維持時間（下圖座標軸中的亮線）極大的增加了，圖片來源，youtube
如果可控核聚變真正實用化，意味着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，幾乎沒有比可控核聚變更現實的方案了。如果核聚變技術僅僅掌握在少數國家手裏可能會導致一些科技寡頭的誕生，或許會引發一些意想不到的問題，但風險永遠與機遇並存，不能因噎廢食。無論如何，率先研發出可控核聚變的一個或一批國家在解決自身能源危機的同時也會在政治和經濟上獲得極大的優勢。這也是幾乎所有大國——包括中國都在拼命研發這項技術的原因之一。
資料來源：雷鋒網作者/編輯：黃鑫
這些是實驗室裏現有的設備，它們很快就會被規模更大的機器取代，圖片來源，technologyreview
人類已經掌握了相當成熟的可控核裂變發電技術，但可控核聚變技術仍處在艱難的研究之中。核裂變雖然技術成熟，但缺點也相對明顯：如核廢料若處理不當會相當危險，所需燃料在自然界中相當稀少且不可再生等。而核聚變的優勢在於：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。相比起核裂變發電，核聚變發電是更徹底解決能源危機的方式。
可是以目前的技術手段來説，核聚變面臨一個幾乎無法實現的困難：反應需要上億度的高温才能進行。而目前人類還沒有找到任何能承受住這麼高温度的材料。如何將環境温度加熱到一億度以上同樣是一個大問題。目前人類唯一實現了的核聚變反應是不可控的——即氫彈的爆炸，而在氫彈爆炸過程中將温度加熱到足夠的程度的方法是利用原子彈發生核爆產生的高温，也就是説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行發電，只有尋找到隨時控制反應的開始、結束和進行的速率的方法，才能將其用於和平用途。
前面提到核聚變面對的難題主要有兩類，都同高温有關：如何將反應所需的原料加熱到如此高温的程度？以及當把反應物質加熱到這種高温的時候，如何能安全的容納它？
目前科學界普遍認同的針對這兩個問題的解決方案分別是：用激光器加熱反應物質，和用磁場來約束反應物質讓其不接觸到容器的表面來防止容器被燒燬。
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生直接的接觸。目前為了達到最高的加熱效率，激光器都被做成一個球形，發射器從被加熱物質的所有方向同時開始加熱。目前美國在此領域的研究進展是最快的，其“國家點火裝置（National Ignition Facility）”正在實驗將192個激光器同時聚焦於一點來進行加熱的技術。
國家點火裝置，圖片來源，Wikipedia
對反應物質進行約束則普遍認為應該交給磁場來完成，通過在環裝加速器內產生磁場，參加反應的帶電粒子由於電磁感應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託卡馬克裝置，由前蘇聯庫爾恰托夫研究所的科學家發明，如下圖：
圖片來源，Wikipedia
但Tri Alpha採用的原理有所不同，它建造了一種叫“場反向配置（field-reversed configuration，FRC）”的裝置，除了中間看起來像插了幾根棍子進去一樣，其他的部分看起來基本是標準的圓柱體。
Tri Alpha設計的反應堆原型示意圖，圖片來源，youtube
按照Tri Alpha的設想，在反應時，需要反應的物質從兩頭以極高的速度向中央發射，目前的設備中碰撞的粒子產生的氣體雲會達到反應所需的高温，目前他們能讓反應物達到一千萬攝氏度左右的高温。
反應堆的理論模型，粒子在碰撞後產生的氣體雲會馬上消散，圖片來源，youtube
但是如果沒有別的措施的話，這團氣體雲很快就會飄散，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置的。它們會發射出幾束高能粒子流，據Tri Alpha表示這可以有效延長氣體雲穩定存在的時間。
加上粒子流之後的效果，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在不斷的調整入射粒子流的角度和強度。據他們表示，現在氣體雲存在的時間已經達到了非常長的程度。足以開始下一步的實驗。因此他們在多年的低調行事之後開始公佈一些消息，還做出了一個官方網站。
調整後（上圖）的維持時間（下圖座標軸中的亮線）極大的增加了，圖片來源，youtube
如果可控核聚變真正實用化，意味着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，幾乎沒有比可控核聚變更現實的方案了。如果核聚變技術僅僅掌握在少數國家手裏可能會導致一些科技寡頭的誕生，或許會引發一些意想不到的問題，但風險永遠與機遇並存，不能因噎廢食。無論如何，率先研發出可控核聚變的一個或一批國家在解決自身能源危機的同時也會在政治和經濟上獲得極大的優勢。這也是幾乎所有大國——包括中國都在拼命研發這項技術的原因之一。
資料來源：雷鋒網作者/編輯：黃鑫