金磊 丰色 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
一把22米的“长枪”开了一炮&＃xff0c;直接让可控核聚变大变天。
这把“长枪”&＃xff0c;名字叫做Big Friendly Gun&＃xff08;BFG&＃xff09;。
它实则是由一家位于英国牛津的核聚变技术First Light Fusion &＃xff08;下文简称FLF&＃xff09;打造的超高速炮。
可以用每秒6.5公里的速度&＃xff08;19倍音速&＃xff09;向燃料靶发射弹丸&＃xff0c;从而引爆核聚变。
重点来了。
这整个过程只花了不到4500万英镑&＃xff0c;与传统的激光和磁性约束装置相比&＃xff0c;成本是它们的千分之一&＃xff01;
这在世界范围内还是首次&＃xff0c;网友直呼“Holy XXX”……
或许你会问了&＃xff0c;那这与我们有什么关系呢&＃xff1f;
英国商业和能源部长Kwasi Kwarteng给出的评价是&＃xff1a;
该技术可能在未来几十年内彻底改变电力生产。
更具体一点来说&＃xff0c;BFG可以在未来&＃xff0c;让一度的电价格低于0.05美元&＃xff08;约3毛钱&＃xff09;。
而聚焦到BFG背后的可控核聚变&＃xff0c;这个领域可以说是在近两年里十分火热了。
像比尔盖茨、贝佐斯等大佬&＃xff0c;谷歌、微软等大厂纷纷投资于此&＃xff1b;国内像米哈游蔚来等企业也已经曝出相关投资动作。
而这次这位英国“大兄弟”的背后&＃xff0c;却站着一个中国大厂——腾讯 &＃xff08;意不意外&＃xff1f;&＃xff09;。
不过回到BFG本身&＃xff0c;现在都在感慨可控核聚变“难”&＃xff0c;那它又是如何做到又快又便宜的呢&＃xff1f;
又快又便宜&＃xff0c;怎么做到的&＃xff1f;
核聚变&＃xff0c;简单来说&＃xff0c;两个轻原子核&＃xff08;主要指氘&＃xff09;在超高温或高压的条件下&＃xff0c;远离核外电子的束缚&＃xff0c;结合成大原子核的过程。
由于这一过程&＃xff0c;能以极高的效率会释放巨大的能量。因而可控核聚变这种方式被寄予厚望。
目前共有两种截然不同的实现方式&＃xff1a;一个是磁性约束&＃xff0c;一个是惯性约束。
大家所熟知的托卡马克&＃xff0c;就属于磁性约束。
它大概就是用磁场将氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限体积内&＃xff0c;使它受控制地发生大量的原子核聚变反应&＃xff0c;释放出能量。
FLF用的这个方法&＃xff0c;名叫“Projectile Fusion” &＃xff08;射弹聚变&＃xff09;&＃xff0c;它属于惯性约束。
一般的惯性约束装置是通过功率极大的激光照射目标&＃xff08;靶丸&＃xff09;&＃xff0c;使丸中的燃料&＃xff08;氘和氚&＃xff09;形成等离子体&＃xff0c;在极短时间内&＃xff0c;这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散&＃xff0c;就被压缩到高温、高密度状态&＃xff0c;从而发生核聚变反应。
该原理由王淦昌院士在1964年提出&＃xff0c;也是最接近氢弹爆炸的真实物理过程。
不过相较于广泛合作的磁性约束装置&＃xff0c;惯性约束方面的研究则比较低调和神秘。
目前比较知名的是美国点火装置&＃xff08;National Ignition Facility&＃xff0c;NIF&＃xff09;&＃xff0c;不过还没有真正意义上的成就。
本次采用的“射弹聚变”&＃xff0c;虽也属于惯性约束&＃xff0c;但它却不靠激光束或电子束/离子束点火&＃xff0c;而是靠一架超高速炮。
不知道这个炮的名字“Big Friendly Gun”是否来自于Doom(毁灭战士)中的BFG&＃xff0c;也就是人称的“Big F**king Gun”。
“Big Friendly Gun”长约22米&＃xff0c;重25000公斤&＃xff0c;能以超音速近19.11倍的飞行速度发射100克的射弹&＃xff0c;通过射弹高速压缩靶丸内部燃料&＃xff0c;就能达到聚变所需的压力和温度。
FLF表示&＃xff0c;他们发射的弹丸在撞击靶丸前达到了每秒6.5公里的速度&＃xff0c;而在燃料内爆时已经加速到每秒70公里以上——这是地球上最快的物体。
燃料受到的压力则有10TPa&＃xff0c;也就是1亿个大气压&＃xff0c;比木星中心的压力还要大。
如何利用该方法产生的能量&＃xff1f;
这就要靠装置腔室内液态锂&＃xff0c;它既可以用来吸收高速炮产生的聚变脉冲&＃xff0c;还能防止室内温度急剧上升&＃xff0c;保护装置。
然后再通过热交换器&＃xff08;heat exchanger transfers&＃xff09;将锂的热量传递到水中&＃xff0c;水产生蒸汽&＃xff0c;就能使涡轮机转动并发电了。
FLF表示&＃xff0c;整个过程可以每30秒重复一次&＃xff0c;流程并不复杂&＃xff0c;装备也没有激光和磁性约束那么昂贵。
背后的公司出自牛津大学
听起来非常激动人心&＃xff0c;FLF这家公司又有着怎样的背景&＃xff1f;靠谱吗&＃xff1f;
它原来是从牛津大学分离出来的一家机构&＃xff0c;成立于2011年&＃xff0c;主营业务就是利用惯性约束聚变技术来进行能源发电&＃xff0c;使全球快速实现能源的脱碳。
2021年&＃xff0c;FLF采购到绰号为“BFG&＃xff08;Big Firendly Gun&＃xff09;”的二级超高速炮&＃xff0c;并完成了安装和调试。
今年2月&＃xff0c;该公司获得了4500万美元的C轮融资&＃xff0c;腾讯参与投资。
其余投资机构还包括Oxford Science Enterprises、Hostplus&＃xff08;澳大利亚养老基金公司&＃xff09;和IP Group plc&＃xff08;英国知识产权运营服务公司&＃xff09;和Braavos Capital&＃xff08;英国咨询公司&＃xff09;。
至于融资的动向&＃xff0c;当时公司表示&＃xff0c;计划利用这笔资金来加速完成增益实验(即产生的能量超过了用于引发反应的能量)&＃xff0c;并交付首例核聚变的研究结果。同时在工程和设计上进行更详细的计划&＃xff0c;进一步开发全规模核聚变发电站。
加上前几轮&＃xff0c;FLF一共筹得资金总额为1.07亿美元。
目前&＃xff0c;该公司一共发展到60多名员工&＃xff0c;CEO是Nicholas Hawker。
他从2007年在牛津大学读硕博士时就开始研究核聚变。
他和Yiannis Ventikos是该公司的共同创始人。
Yiannis Ventikos则是肯尼迪大学机械工程教授、伦敦大学学院机械工程系主任以及英国皇家工程院院士。
Nicholas Hawker在此次成果中表示&＃xff1a;
相信射弹聚变是商业上可行的聚变发电的最快途径。
该公司下一步是快速开展“增益”实验&＃xff08;能量输出多于输入&＃xff09;&＃xff0c;并在2030年用10亿美元与发电商合作开发试电厂&＃xff0c;生产约150兆瓦的电力。
可控核聚变到哪一步了&＃xff1f;
这次FLF所采用的方法如刚才所述&＃xff0c;是属于惯性约束。
而在可控核聚变领域中&＃xff0c;其实还有另外一种热门的方法&＃xff0c;那便是托卡马克。
关于这一话题的历史&＃xff0c;最早可以追溯到20世纪30年代。
当时的科学家们&＃xff0c;尤其是美国物理学家、诺奖得主Hans Bethe等发现&＃xff0c;核聚变是存在可能性的。
而且一旦能够实现可控核聚变&＃xff0c;那便意味着可以提供无限的清洁能源&＃xff0c;同时减少安全和废物问题。
这也就是它能够被称为“能源生产皇冠上的明珠”的原因了。
而自那之后&＃xff0c;科学家们便开始寻找能够引发和控制核聚变反应的方法。
但一开始他们就面临着一个令人头痛的问题——核聚变反应需要数亿度的温度。
简直太热了&＃xff0c;当时任何的固体室都没法容纳的下。
后来&＃xff0c;物理科学家们就想到了“磁约束”的方法&＃xff0c;也就是用磁场来控制热等离子体。
于是在这种理论之下&＃xff0c;刚才提到托卡马克便应运而生。
第一台托卡马克是由苏联库尔恰托夫研究所的阿奇莫维奇等人&＃xff0c;在20世纪50年代发明的。
细算下来&＃xff0c;至今全世界已经有200多台托卡马克被造出来过。
但由于现实情况要比理论复杂的多&＃xff0c;这些托卡马克大多都是建来做实验、收集数据&＃xff0c;然后拆掉再升级……
不过在这其中&＃xff0c;有一台便被寄予了厚望&＃xff0c;那就是位于法国马赛的ITER。
按计划&＃xff0c;ITER这台托卡马克&＃xff0c;建成后半径会达到6.2米&＃xff0c;内部等离子体体积840立方米&＃xff0c;总重量2.3万吨&＃xff0c;运行温度比太阳核心高10倍&＃xff0c;预计输出功率达到500兆瓦。
除此之外&＃xff0c;这个项目还计划在2025年正式开始等离子体实验&＃xff0c;2035年进一步开始进行氘氚聚变实验。
目前&＃xff0c;俄罗斯、美国、欧盟、印度、日本、韩国和中国都是这项计划的成员。
至于我国&＃xff0c;也是在可控核聚变上有着不错的进展。
例如我国研发的核聚变装置东方超环 &＃xff08;EAST&＃xff09;被称为“人造小太阳”&＃xff0c;是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克。
它的目标就是像太阳一样发生核聚变为人类提供能源&＃xff0c;至今也是在不断取得突破&＃xff1a;
2017年&＃xff0c;全球首次实现5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行&＃xff1b;
2018年底&＃xff0c;首次实现了1亿度等离子体放电&＃xff0c;等离子体储能增加到300千焦&＃xff1b;
2020年4月&＃xff0c;在1亿度超高温度下运行了近10秒&＃xff0c;创造了新的纪录。
……
就在今年1月&＃xff0c;EAST还实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行&＃xff0c;打破了自己保持的411秒最长放电纪录。
而可控核聚变的火热&＃xff0c;不仅仅体现在国家层面上对其的重视&＃xff1b;从商业角度来看&＃xff0c;亦是如此。
除了像刚才提到的腾讯之外&＃xff0c;米哈游前一阵子也是携手蔚来资本&＃xff0c;共同投资了一家叫做能量奇点的聚变能源商业公司。
更早的&＃xff0c;像比尔盖茨、谷歌和许多私募股权公司&＃xff0c;共同投资过一家名为Commonwealth Fusion Systems&＃xff08;CFS&＃xff09; 的核聚变研究公司。
根据Crunchbase数据显示&＃xff0c;像杰夫·贝佐斯、Cenovus能源公司等个人和机构&＃xff0c;也已经累计对General Fusion&＃xff08;通用聚变&＃xff09;公司投入了约1.27亿美元。
DeepMind也在不久前在Nature上发表了一项研究&＃xff0c;宣称成功实现了用AI来动态控制托卡马克的磁场&＃xff0c;从而精准控制内部的等离子体。
……
不难看出&＃xff0c;无论是国家、企业还是研究机构&＃xff0c;目前均纷纷涉足并大力发展可控核聚变技术。
至于原因&＃xff0c;或许就是&＃xff1a;
在能源紧张的今天&＃xff0c;谁先一步掌握新的能源技术&＃xff0c;就意味着抓住了未来。
参考链接&＃xff1a;
[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
京公网安备 11010802041100号