game bài đổi thưởng caovietnet:美国一实验室进行了史上首次可控核聚变实验,取得了历史性突破

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昨夜,人类终极能源在美国取得重大突破。


美国能源部在社交平台上发文称,这是一个“酝酿了几十年的公告”。

据悉,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家在12月5日使用激光的聚变实验中,首次实现了净能量增益。即在聚变反应中,实验通过国家点火装置,向目标输入了2.05兆焦耳的能量,产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出,产生的能量比投入的能量多50%以上。


在实验中出现净能量增益,证明核聚变在商业化中具备盈利的可能性。美国能源部的这一重大突破,首先是核聚变发展的一次里程碑式,但发布会更多地是将重点放在了投资于聚变能源研究具有的积极意义。


可控核聚变属于一个极其复杂的系统,实现核聚变点火仍只是其中一个环节,距离真正的商业应用可能还需要数年时间,但核聚变对于人类社会和能源结构都会产生变革。事实上,国内外不少顶级投资机构,早已经在此开始布局。


实现净能量增益,聚变能商业价值被证实


核聚变,换个说法就是人造太阳。


90年前,科学家就发现了核聚变,当两个较轻的原子核反应生成一个较重的原子核和一个极轻的核,将爆发出大量的能量。但只有理论,如何实现却很难。随着研究逐渐深入,实现核聚变目前有三种途径:引力约束、惯性约束和磁约束。


劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用的就是惯性约束,也叫激光核聚变,它由高强激光照射靶面物质消融喷离产生的反冲力,使靶内燃料快速爆聚,从而点燃并释放聚变能,其约束由聚变物质的惯性所提供。


世界上早已有少数国家成功见证了不可控核聚变,氢 弹的引爆就是其一。不过人类也已经在实验中证实了可控核聚变的存在,只是实现可控核聚变,需要消耗巨大的能量。从聚变反应中产生能量所需的温度约为5000万摄氏度,让核聚变反应堆创造的能量,超过引发“点火”所需的核心温度和压力条件消耗的能量,就是摆在可控核聚变商业应用的第一个障碍。


核聚变点火作为实现可控核聚变的关键步骤,也是实现可控核聚变的前提和基础。在很长一段时间以来,核聚变实验的输入能量都高于输出的能量。


在诸多核聚变投资的相关报道中都提及这句话,“距离可控核聚变,永远还有30年”。不过,今年麦肯锡报告预测,聚变能已处于转折点,其中指出未来十年内商业化或可实现。从30年到10年,市场对可控核聚变的商用化进程更加积极。


劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次在使用激光的聚变实验中短暂地实现了净能量增益,从核聚变中获取能量,在科学上属于一次重大跨越。


劳伦斯利弗莫尔国家实验室的主任Kim Budil,对于商用时间表的问题,也仅是模糊地表示:“可能还要几十年,但不是60年或50年,这种话是我们以前经常说的。”


虽然目前的实验成果距离最终实现核聚变发电之间还有很多步骤,可控核聚变的商业化还无法实现,但随着技术难题的逐一突破,人类距离人造太阳会越来越近。


可控核聚变的商业应用进程一直存在不确定性,或许技术每前进一步仍然会遇到新的技术瓶颈。


麦肯锡2022年公布的可控核聚变报告显示,目前在可控核聚变商业应用道路前的还有三点需要突破:一是聚变反应堆创造的能量超过引发“点火”所需的核心温度和压力条件消耗的能量;二是证实聚变反应所需系统组件的性能可满足聚变要求;三是在聚变原型电站中演示聚变反应并验证其经济性。


风投+科研团队,能否加速可控核聚变商业化?


核物理创业门槛极高,全世界范围内的参与者都还不足以组成一个产业赛道。据核聚变工业协会公布数据,目前全球共有30余家核聚变公司。



当发达国家在可控核聚变技术上实现突破时,中国的可控核聚变早已在多个领域布局。


中国的人造太阳采用的是托卡马克装置,是一种通过磁约束来实现受控核聚变的环形容器,环形、真空室、磁、线圈等几部分构成,通电后托卡马克的内部产生巨大的螺旋型磁场,通过将等离子体加热到超过温度最终实现核聚变。


近年来,中国的人造太阳也在不断突破,今年10月,中国人造太阳装置(HL-2M)等离子体电流突破100万安培,创造了中国可控核聚变装置运行新纪录,我国核聚变研发距离聚变点火也迈进了一步。我国第四代核聚变实验装置东方超环(EAST),实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿度。


无论是通过惯性约束,还是磁约束,可控核聚变技术的发展,一定程度上也在刺激着资本活动。据核聚变工业协会数据,近一年内,市场对核聚变的投资比前十年更多。数据显示,近一年全球已向该行业投入了28亿美元,而过去十年约为20亿美元,最为明显的是私人资本的进入。


2021年12月,美国公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)宣布拿到18亿美元的融资。这一数字,刷新了人类历史上核聚变私人投资额的新纪录。报道称,这次投资方包括比尔盖茨、索罗斯、Marc Benioff、谷歌母公司Alphabet、DFJ Growth等一众大佬。

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今年2月,从牛津大学分离出来的一家机构组建的公司First Light Fusion(FLF),获得4500万美元融资,自成立以来,累计外部融资达到1.07亿美元。值得注意的是,该公司背后的投资方包含中国科技公司腾讯。


中国从上世纪60年代就展开研究的托卡马克装置,如今带出来一批聚焦可控聚商业化的科研团队,中国市场风投机构也望风而动。


今年2月,北大物理系出身的杨钊率先引发关注,他创办的能量奇点宣布完成近4亿人民币的天使轮融资,由米哈游和蔚来资本共同领投,红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投。


这是杨钊回国后的第二次创业,回归了物理老本行,要做商业化可控核聚变,在从斯坦福大学、普林斯顿大学、北京大学、清华大学、上海交通大学等顶级院校及科研院所攒起团队后,第一笔融资就是计划研发和建设基于全高温超导磁体的小型托卡马克实验装置,以及研发可用于下一代高性能聚变装置的先进磁体系统。


清华物理系自然不会迟到。今年6月,星环聚能宣布完成数亿元天使轮融资,由顺为资本、昆仑资本、中科创星、远镜创投、和玉资本、红杉种子基金、险峰长青、九合创投、联想之星、英诺创投、元禾原点以及华方资本等多家知名机构联合完成,是中国首个由风险投资驱动的核聚变商业化探索项目企业。


星环聚能的创始人陈锐及主要研发人员均毕业于清华大学工程物理系,该系核能所聚变团队研究磁约束可控核聚变并运行国内首个球形托卡马克装置近20年。


中国高温超导材料研究的领头羊上海交通大学也没有缺席。11月份,核心成员脱胎于上海交通大学高温超导团队的翌曦科技,完成5000万元种子轮融资,由中科创星领投,合力投资、泓升基金等跟投。


不过,翌曦科技并不是继续深耕高温超导材料,而是主攻聚变强场磁体、高速磁悬浮列车超导磁体等将给未来能源、交通带来重大变革的核心技术,来拓展超导应用。尤其是在紧凑型可控核聚变的核心技术,即紧凑型托克马克装置技术路线的高温超导强场磁体。


可控核聚变的商业化探索方兴未艾,但在人类终极能源的“诱惑”和技术突破下,市场资本不断在这一赛道加注,风投和科研团队的融合,能为可控核聚变商业化提速多少呢?


延伸阅读:


什么是可控核聚变?


人类的发展历史其实也是人类对地球各种资源利用的历史,从最开始学会使用石器、铜器和铁器,到现在使用石油,天然气等自然资源,人类只用了几千年的历史。随着全世界人口的增多,人类对各种不可再生资源过度的使用,终有一天,这些不可再生资源会随着人类的发展,逐渐消耗殆尽。


世界各个国家都在积极的开发新的清洁能源,比如风能和太阳能,但是这些获取能量的方式比较传统,能量利用率极低,很难满足人类的日常使用。


70多年前,人类成功通过核裂变和核聚变的方式研制出了原子 弹和氢 弹,紧随其后,人类开始了可控核聚变的研究。可控核聚变也被称为人造太阳,其原因是太阳通过核聚变的方式发光发热,为地球提供能量。由于全球人口的快速增长,对于各种资源的使用越来越多,能源危机逐渐笼罩在全人类的身上。


从第一颗原子 弹爆 炸到第一个核裂变电站的建成,只用了9年时间。但是从第一颗氢 弹爆 炸到人类的第一个核聚变电站建成,人类至今还没有实现,由此可见实现可控核裂变与实现可控核聚变的难度不是一个数量级的。


实现可控核聚变的难点


核聚变只有在极高的温度和压力之下才能发生。高温和高压在本质上都是为了增加原子相互碰撞的几率,太阳的核心由于引力的作用压强超过2400亿个标准大气压,而温度却只有1500万度。要想达到太阳那种高压环境,目前在地球上是实现不了的,故现有的方案都是在提高温度上下功夫。


目前的可控核聚变实验的温度一般都要1亿度左右,氢 弹的基本原理就是利用原子 弹爆 炸瞬间制造的高温高压环境引发核聚变,这样的核聚变只需要很短的反应时间,故要实现可控核聚变需要延长反应的时间,控制聚变过程能量的释放。


实现可控核聚变的两种模式


美国对于可控核聚变的主要研究方向是惯性约束聚变。惯性约束聚变的主要原理和氢 弹爆 炸的方案类似,把现成的核武 器拆分成点火装置和燃料靶标,利用激光照射放置在反应堆中心的燃料小球,使得燃料的温度和压力达到聚变反应的条件,并在极短的时间内反应完毕。其中所谓的惯性约束也就是因为燃料本身存在惯性,在受到高温作用时向外扩散需要一定的时间,只要聚变反应在燃料向外扩散的时间内完成,就不需要设计复杂的聚变反应装置。


美国核聚变点火装置


中国对于可控核聚变的主要研究方向是磁约束聚变。磁约束聚变的主要目的就是尽可能的延长对于核燃料高温等离子体的约束时间,并最终使得聚变反应在约束的条件下输出的能量超过为引发而输入的能量从而实现自持。主要使用的是全超导托卡马克核聚变实验装置,它的主体结构是一个内部抽真空的圆环,形状像甜甜圈,圆环上缠绕许多的线圈,这些线圈通电以后会在真空室中产生环向磁场。


中国在磁约束聚变领域处于世界领先地位,2021年12月30日晚,全超导托卡马克核聚变实验装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。



来源:猎云网、爱科普的寄生菌

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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