19倍超音速“大炮”轟出可控核聚變！成本僅為傳統(tǒng)方法0.1%，騰訊已投資

金磊 豐色 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

一把22米的“長(zhǎng)槍”開了一炮，直接讓可控核聚變大變天。

這把“長(zhǎng)槍”，名字叫做Big Friendly Gun（BFG）。

它實(shí)則是由一家位于英國(guó)牛津的核聚變技術(shù)First Light Fusion?（下文簡(jiǎn)稱FLF）打造的超高速炮。

可以用每秒6.5公里的速度（19倍音速）向燃料靶發(fā)射彈丸，從而引爆核聚變。

重點(diǎn)來了。

這整個(gè)過程只花了不到4500萬英鎊，與傳統(tǒng)的激光和磁性約束裝置相比，成本是它們的千分之一！

這在世界范圍內(nèi)還是首次，網(wǎng)友直呼“Holy XXX”……

或許你會(huì)問了，那這與我們有什么關(guān)系呢？

英國(guó)商業(yè)和能源部長(zhǎng)Kwasi Kwarteng給出的評(píng)價(jià)是：

該技術(shù)可能在未來幾十年內(nèi)徹底改變電力生產(chǎn)。

更具體一點(diǎn)來說，BFG可以在未來，讓一度的電價(jià)格低于0.05美元（約3毛錢）。

而聚焦到BFG背后的可控核聚變，這個(gè)領(lǐng)域可以說是在近兩年里十分火熱了。

像比爾蓋茨、貝佐斯等大佬，谷歌、微軟等大廠紛紛投資于此；國(guó)內(nèi)像米哈游蔚來等企業(yè)也已經(jīng)曝出相關(guān)投資動(dòng)作。

而這次這位英國(guó)“大兄弟”的背后，卻站著一個(gè)中國(guó)大廠——騰訊?（意不意外？）。

不過回到BFG本身，現(xiàn)在都在感慨可控核聚變“難”，那它又是如何做到又快又便宜的呢？

又快又便宜，怎么做到的？

核聚變，簡(jiǎn)單來說，兩個(gè)輕原子核（主要指氘）在超高溫或高壓的條件下，遠(yuǎn)離核外電子的束縛，結(jié)合成大原子核的過程。

由于這一過程，能以極高的效率會(huì)釋放巨大的能量。因而可控核聚變這種方式被寄予厚望。

目前共有兩種截然不同的實(shí)現(xiàn)方式：一個(gè)是磁性約束，一個(gè)是慣性約束。

大家所熟知的托卡馬克，就屬于磁性約束。

它大概就是用磁場(chǎng)將氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量。

FLF用的這個(gè)方法，名叫“Projectile Fusion”?（射彈聚變），它屬于慣性約束。

一般的慣性約束裝置是通過功率極大的激光照射目標(biāo)（靶丸），使丸中的燃料（氘和氚）形成等離子體，在極短時(shí)間內(nèi)，這些等離子體粒子由于自身慣性作用還來不及向四周飛散，就被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。

該原理由王淦昌院士在1964年提出，也是最接近氫彈爆炸的真實(shí)物理過程。

不過相較于廣泛合作的磁性約束裝置，慣性約束方面的研究則比較低調(diào)和神秘。

目前比較知名的是美國(guó)點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF），不過還沒有真正意義上的成就。

本次采用的“射彈聚變”，雖也屬于慣性約束，但它卻不靠激光束或電子束/離子束點(diǎn)火，而是靠一架超高速炮。

不知道這個(gè)炮的名字“Big Friendly Gun”是否來自于Doom(毀滅戰(zhàn)士)中的BFG，也就是人稱的“Big F**king Gun”。

“Big Friendly Gun”長(zhǎng)約22米，重25000公斤，能以超音速近19.11倍的飛行速度發(fā)射100克的射彈，通過射彈高速壓縮靶丸內(nèi)部燃料，就能達(dá)到聚變所需的壓力和溫度。

FLF表示，他們發(fā)射的彈丸在撞擊靶丸前達(dá)到了每秒6.5公里的速度，而在燃料內(nèi)爆時(shí)已經(jīng)加速到每秒70公里以上——這是地球上最快的物體。

燃料受到的壓力則有10TPa，也就是1億個(gè)大氣壓，比木星中心的壓力還要大。

如何利用該方法產(chǎn)生的能量？

這就要靠裝置腔室內(nèi)液態(tài)鋰，它既可以用來吸收高速炮產(chǎn)生的聚變脈沖，還能防止室內(nèi)溫度急劇上升，保護(hù)裝置。

然后再通過熱交換器（heat exchanger transfers）將鋰的熱量傳遞到水中，水產(chǎn)生蒸汽，就能使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)電了。

FLF表示，整個(gè)過程可以每30秒重復(fù)一次，流程并不復(fù)雜，裝備也沒有激光和磁性約束那么昂貴。

背后的公司出自牛津大學(xué)

聽起來非常激動(dòng)人心，F(xiàn)LF這家公司又有著怎樣的背景？靠譜嗎？

它原來是從牛津大學(xué)分離出來的一家機(jī)構(gòu)，成立于2011年，主營(yíng)業(yè)務(wù)就是利用慣性約束聚變技術(shù)來進(jìn)行能源發(fā)電，使全球快速實(shí)現(xiàn)能源的脫碳。

2021年，F(xiàn)LF采購(gòu)到綽號(hào)為“BFG（Big Firendly Gun）”的二級(jí)超高速炮，并完成了安裝和調(diào)試。

今年2月，該公司獲得了4500萬美元的C輪融資，騰訊參與投資。

其余投資機(jī)構(gòu)還包括Oxford Science Enterprises、Hostplus（澳大利亞養(yǎng)老基金公司）和IP Group plc（英國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)運(yùn)營(yíng)服務(wù)公司）和Braavos Capital（英國(guó)咨詢公司）。

至于融資的動(dòng)向，當(dāng)時(shí)公司表示，計(jì)劃利用這筆資金來加速完成增益實(shí)驗(yàn)(即產(chǎn)生的能量超過了用于引發(fā)反應(yīng)的能量)，并交付首例核聚變的研究結(jié)果。同時(shí)在工程和設(shè)計(jì)上進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)劃，進(jìn)一步開發(fā)全規(guī)模核聚變發(fā)電站。

加上前幾輪，F(xiàn)LF一共籌得資金總額為1.07億美元。

目前，該公司一共發(fā)展到60多名員工，CEO是Nicholas Hawker。

他從2007年在牛津大學(xué)讀碩博士時(shí)就開始研究核聚變。

他和Yiannis Ventikos是該公司的共同創(chuàng)始人。

Yiannis Ventikos則是肯尼迪大學(xué)機(jī)械工程教授、倫敦大學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系主任以及英國(guó)皇家工程院院士。

Nicholas Hawker在此次成果中表示：

相信射彈聚變是商業(yè)上可行的聚變發(fā)電的最快途徑。

該公司下一步是快速開展“增益”實(shí)驗(yàn)（能量輸出多于輸入），并在2030年用10億美元與發(fā)電商合作開發(fā)試電廠，生產(chǎn)約150兆瓦的電力。

可控核聚變到哪一步了？

這次FLF所采用的方法如剛才所述，是屬于慣性約束。

而在可控核聚變領(lǐng)域中，其實(shí)還有另外一種熱門的方法，那便是托卡馬克。

關(guān)于這一話題的歷史，最早可以追溯到20世紀(jì)30年代。

當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們，尤其是美國(guó)物理學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主Hans Bethe等發(fā)現(xiàn)，核聚變是存在可能性的。

而且一旦能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變，那便意味著可以提供無限的清潔能源，同時(shí)減少安全和廢物問題。

這也就是它能夠被稱為“能源生產(chǎn)皇冠上的明珠”的原因了。

而自那之后，科學(xué)家們便開始尋找能夠引發(fā)和控制核聚變反應(yīng)的方法。

但一開始他們就面臨著一個(gè)令人頭痛的問題——核聚變反應(yīng)需要數(shù)億度的溫度。

簡(jiǎn)直太熱了，當(dāng)時(shí)任何的固體室都沒法容納的下。

后來，物理科學(xué)家們就想到了“磁約束”的方法，也就是用磁場(chǎng)來控制熱等離子體。

于是在這種理論之下，剛才提到托卡馬克便應(yīng)運(yùn)而生。

第一臺(tái)托卡馬克是由蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫研究所的阿奇莫維奇等人，在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。

細(xì)算下來，至今全世界已經(jīng)有200多臺(tái)托卡馬克被造出來過。

但由于現(xiàn)實(shí)情況要比理論復(fù)雜的多，這些托卡馬克大多都是建來做實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)，然后拆掉再升級(jí)……

不過在這其中，有一臺(tái)便被寄予了厚望，那就是位于法國(guó)馬賽的ITER。

按計(jì)劃，ITER這臺(tái)托卡馬克，建成后半徑會(huì)達(dá)到6.2米，內(nèi)部等離子體體積840立方米，總重量2.3萬噸，運(yùn)行溫度比太陽核心高10倍，預(yù)計(jì)輸出功率達(dá)到500兆瓦。

除此之外，這個(gè)項(xiàng)目還計(jì)劃在2025年正式開始等離子體實(shí)驗(yàn)，2035年進(jìn)一步開始進(jìn)行氘氚聚變實(shí)驗(yàn)。

目前，俄羅斯、美國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)和中國(guó)都是這項(xiàng)計(jì)劃的成員。

至于我國(guó)，也是在可控核聚變上有著不錯(cuò)的進(jìn)展。

例如我國(guó)研發(fā)的核聚變裝置東方超環(huán)?（EAST）被稱為“人造小太陽”，是世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克。

它的目標(biāo)就是像太陽一樣發(fā)生核聚變?yōu)槿祟愄峁┠茉?，至今也是在不斷取得突破?/p>

• 2017年，全球首次實(shí)現(xiàn)5000萬度等離子體持續(xù)放電101.2秒的高約束運(yùn)行；
• 2018年底，首次實(shí)現(xiàn)了1億度等離子體放電，等離子體儲(chǔ)能增加到300千焦；
• 2020年4月，在1億度超高溫度下運(yùn)行了近10秒，創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。
• ……

就在今年1月，EAST還實(shí)現(xiàn)了1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，打破了自己保持的411秒最長(zhǎng)放電紀(jì)錄。

而可控核聚變的火熱，不僅僅體現(xiàn)在國(guó)家層面上對(duì)其的重視；從商業(yè)角度來看，亦是如此。

除了像剛才提到的騰訊之外，米哈游前一陣子也是攜手蔚來資本，共同投資了一家叫做能量奇點(diǎn)的聚變能源商業(yè)公司。

更早的，像比爾蓋茨、谷歌和許多私募股權(quán)公司，共同投資過一家名為Commonwealth Fusion Systems（CFS）?的核聚變研究公司。

根據(jù)Crunchbase數(shù)據(jù)顯示，像杰夫·貝佐斯、Cenovus能源公司等個(gè)人和機(jī)構(gòu)，也已經(jīng)累計(jì)對(duì)General Fusion（通用聚變）公司投入了約1.27億美元。

DeepMind也在不久前在Nature上發(fā)表了一項(xiàng)研究，宣稱成功實(shí)現(xiàn)了用AI來動(dòng)態(tài)控制托卡馬克的磁場(chǎng)，從而精準(zhǔn)控制內(nèi)部的等離子體。

……

不難看出，無論是國(guó)家、企業(yè)還是研究機(jī)構(gòu)，目前均紛紛涉足并大力發(fā)展可控核聚變技術(shù)。

至于原因，或許就是：

在能源緊張的今天，誰先一步掌握新的能源技術(shù)，就意味著抓住了未來。

參考鏈接：
[1]https://www.bloomberg.com/news/articles/2022-04-04/u-k-startup-s-big-friendly-gun-achieves-fusion-breakthrough
[2]https://firstlightfusion.com/media/fusion