美國人13歲就造出了核聚變堆，為什麼ITER到現在還在測試？

2020-10-12 星辰大海路上的種花家

10月9日，金氏世界紀錄網站發布了一個公告，來自美國田納西州，現年15歲的傑克遜·奧斯瓦爾特，成為有史以來最年輕的，製造出核聚變反應堆的個人（製造出核聚變堆時離13歲還有幾天，審核了2年）！

對於核聚變我們並不陌生，一直以來都聽到核聚變的新聞，開始研究到現在都已經過去半個多世紀了，連幾十個國家湊一起的國際熱核聚變反應堆，從2007年10月開搞以來都過去十幾年了，居然還沒成功，被一個小學生完敗，這是什麼原因？

核聚變到底是什麼原理，為什麼它那麼難搞？

核聚變說簡單了就是太陽發光發熱的原理，這個事情曾經連科學家都搞不明白，以前還以為太陽是燒煤的，但很顯然用黑體輻射一算，這煤也不夠燒那麼久啊！最初解決這個問題的思路還是愛丁頓提出的，他認為太陽可能是輕核聚變中獲得能量，儘管提出了具體的過程，但還有一個非常麻煩的問題無法解決！

愛丁頓

因為科學家們通過光譜發現，太陽上最多的元素是氫，但氫有三種同位素，分別是氕氘氚，比例最高的是氕，幾乎就100%，氘還是有一丟丟，而氚幾乎就不存在，因此太陽內核正在產生的反應，必定是氕氕反應開始的！

但氕氕反應要吸收能量，而太陽的大小與質量不足以讓氕氕反應，這讓科學家尷尬了，但太陽就在那裡！後來這個問題被伽莫夫解決了，因為量子隧穿效應讓氕氕在不太滿足的條件下仍然可以反應！從而解決了太陽發光最關鍵的第一步！

核聚變真就是太陽發光原理嗎？

核聚變程序於1932年由澳洲科學家馬克·奧利芬特發現的，1927年他在劍橋大學卡文迪許實驗室工作期間用粒子加速器轟擊氘核（D，重氫）產生氚（T，超重氫），成為世界上第一次核聚變實驗！這裡的兩種物質，氘和氚很關鍵，它是未來氫彈和核聚變堆中最關鍵的燃料！

氕氕氫同為素中比例最高的，但它聚變要求極其變態，連太陽內部也是每十億個質子相遇才有一個機會聚變成氘，然後在於氕氘聚變成氦三，但以人類的條件，連氕氘聚變也無法實現，只能退而求其次，搞氘氚聚變，這個相對容易一些！

氘氚核聚變

核聚變堆有什麼要求？

原理我們搞明白了，那麼核聚變堆怎麼來實現呢？一般核聚變堆主要有兩種路子，一個是前蘇聯在1968年搞出來的磁約束託卡馬克結構形的核聚變裝置，另一種則是雷射點火的慣性約束核聚變裝置，我們一一來簡單介紹：

磁約束核聚變裝置

將高溫的等氘氚離子體（導電）在約束在磁場中，然後對這些高溫等離子體持續加熱，使其中的氘氚原子核發生聚變釋放出巨大的熱量，說起來非常輕巧，但實際操作難度極高，因為高溫等離子體不聽話，第二則是加熱方式，對等離子體怎麼加熱？第三則是第一壁的材料！

被磁場約束的等離子體有數千萬到上億度的高溫，在磁場中等離子體運動極其複雜，內部電流高達千萬安培，扭曲模、磁島以及磁面撕裂等問題非常嚴重，如果失控最好的結果是熄火，最壞甚至可能爆炸！而計算機根本難以預測，所以儘量保持得更久，可以將其加熱到更高的聚變溫度，就成了重中之重！

另外懸浮在空中如何加熱？一般有歐姆加熱和中性粒子流加熱兩種方式，前者會隨著等離子溫度升高效率下降，後者用庫倫碰撞原理將能量傳遞給氘氚離子，還有則是波加熱方式，都存在一些難以克服的問題。

還有就是氘氚核聚變時會產生中子，會讓內壁防熱傳熱材料變性，原理是原子核吸收多個中子後，會衰變，變成元素序號+1或者更高序號的元素，簡單的說就是變成別的元素了，這材料還是耗材，經常得換，價格還很高。另外為了實現這些變態的條件，比如超導材料製造的線圈這些都比黃金還貴，所以玩核聚變堆，還不是一般人所能燒得起的！

超導線圈安裝

另一種磁約束裝置是仿星器，其不規則的磁場容易產生磁感應強度周期性振蕩，這會導致它的約束性能下降，面臨的問題和託卡馬克不一樣，但一樣很難解決！

則是慣性約束核聚變裝置

這個原理就更簡單了，用極光轟擊氘氚燃料小球，讓其發生聚變反應！但問題是需要上百束雷射，而且加熱後效率迅速下降，難以保持聚變，另外還有這個燃料小球怎麼快速更換？如何將這些能量引出來？慣性約束在搞的不多，不過它在作為星際航行發動機上有比磁約束更優秀的條件。

美國小學生搞的核聚變到底是原理，和ITER是同一路貨色嗎？

說了那麼多廢話，不就是為了說一個字「難」嗎？為什麼人家美國小學生都實現核聚變堆了，而全世界的科學家搞了都快半個多世紀了，連個屁都沒放出來？

美國小學生的核聚變到底是什麼鬼？

「我已經能夠利用電來加速氘的兩個原子，因此它們融合成3氦原子並釋放出中子，該中子可用來加熱水並打開蒸汽機，從而產生電能。 」，來自田納西州的孟菲斯市奧斯瓦爾特如是說。

奧斯瓦爾特展示吉尼斯證書

聽上去非常高大上，確實也實現了核聚變，但充其量只能算是一種中子發生器！在上文中奧斯瓦爾特也說錯了，核聚變並不是利用中子來燒水，中子很難利用，不過可以讓鋰變成氚，從而實現核聚變堆的自持氚燃料提供！

氚的製造

這種核聚變堆有一個學名，叫做「靜電場約束型核聚變裝置」，它的原理和磁約束託卡馬克或者仿星器原理差的就遠了，它的結構是一個真空狀態的大球，四周是電極，中間的金屬網格小球帶有高壓靜電，氘粒子導入後會在靜電場加速下發生碰撞，最後發生聚變反應！反應過程如下：

D + D → T + p (釋放4.03MeV能量)
D + D → 3He + n (釋放3.27MeV能量)

兩種都可能發生，為什麼不用（氘）D+T（氚），這個更容易！但其實氚很難獲得，價格極高，不是一般人所能玩得起的，幸虧它可以讓聚變中的中子轟擊離產生，要不然聚變堆我們也玩不起！

那麼D+D也就是氘氘反應也可以啊，為什麼那麼簡單的聚變反應堆不製造，要去搞什麼超高難度的託卡馬克和仿星器或者慣性約束聚變呢？原因很簡單，因為這種靜電場約束型核聚變裝置就是大玩具，它的Q值極差，也就是輸入的能量和輸出的能量別說1:1達不到，連1000:1都沒有，作為發電站，總不能輸入一千瓦時，輸出只有一瓦時吧，這虧本生意誰做啊？

全世界頂尖科學家正在努力的ITER，Q值也僅僅值達到10，也就是輸入1份能量，輸出10份，看起來不錯了吧，不過它並不能持續，而且這個比例距離商用還遠得很！而在2030年即將建成的CFETR（中國）Q值能達到25以上！

核聚變路線圖

但是距離商用還有很長的路要走，順利的情況下大約在2050年可以建成PFPP的核聚變原型堆，看到本文的大部分應該還能活著看見哈！

靜電場約束型核聚變裝置

所以這就是個毫無用處的聚變裝置，但也不能如此定義，一個小學生能獨立完成如此實驗，那動手能力絕對槓槓滴，當然我們也不相信都是他個人所為，拼爹還是必須的，但主要思想和實驗主導由他完成也已經很了不起了！

我們恭喜他，但請勿盲目崇拜，畢竟這距離真正的核聚變還有一光年距離！

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