核聚變?nèi)〉猛黄疲哼@對(duì)于宇宙探索意味著什么？

一些科學(xué)家指出，聚變推進(jìn)是必然會(huì)發(fā)生的。那么，考慮到核聚變最近的突破，它離我們還有多遠(yuǎn)呢？

（圖源：華盛頓大學(xué)。）

最近宣布的“聚變點(diǎn)火”是一項(xiàng)巨大的科學(xué)進(jìn)展，而這一進(jìn)步花費(fèi)了數(shù)十年的研究。相比于由激光能源激發(fā)的第一次可控核聚變，這次成功產(chǎn)生了更多的能量。

模擬為太陽提供能量的聚變。

（核聚變?cè)?。圖源：nglearninglab。）

在2022年12月5日，來自勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室中美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)豎起了這一里程碑。正如實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人金·布迪爾（Kim Budil）所說：“跨過這道門檻，是六十年來促使我們忘我追求的圖景，我們不停地學(xué)習(xí)，建設(shè)，擴(kuò)展知識(shí)和能力，然后尋找克服新的挑戰(zhàn)的方法?！?/p>

核聚變提供能量，將會(huì)帶來很大的影響，它點(diǎn)燃了人們對(duì)清潔的、無限制的能源的希望。在宇宙探索方面，長久以來，實(shí)現(xiàn)用核聚變作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就是我們的夢(mèng)想。

但是現(xiàn)在，這個(gè)預(yù)期到底是癡人說夢(mèng)，還是可以實(shí)現(xiàn)的呢？我們的未來又究竟是什么樣的呢？

（核聚變。圖源：shalemag。）

數(shù)據(jù)點(diǎn)

核聚變的這一突破，對(duì)于來自位于新澤西州普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室美國能源部（the U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory in New Jersey）的法蒂瑪·易卜拉欣（Fatima Ebrahimi）來說，是一個(gè)期待已久的、令人振奮的消息。

易卜拉欣說這次，NIF實(shí)在是獲得了一次不同尋常的成功。

“在實(shí)驗(yàn)中得到的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都指向了核聚變的成功——這真的太妙了！這對(duì)于聚變能源來說不僅僅只是一個(gè)成就那么簡單?！币撞防勒f。接著她又補(bǔ)充說：“然而，想讓NIF的反應(yīng)堆成為經(jīng)濟(jì)上切實(shí)可行的，更多工程上的創(chuàng)新仍然是必不可少的?！?/p>

易卜拉欣正在研究如何用最大的速度驅(qū)動(dòng)人類去到火星，甚至火星以外的地方。而這項(xiàng)工作涉及到了一種火箭推進(jìn)器的新設(shè)想——去運(yùn)用太陽耀斑的“運(yùn)行機(jī)制”。

這一設(shè)想是用“磁重聯(lián)”給微粒加速?！按胖芈?lián)”是一種在太陽表面乃至整個(gè)宇宙中都能被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。它指的是當(dāng)磁場(chǎng)線聯(lián)結(jié)，突然分散開，又聚集在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的能量的現(xiàn)象。易卜拉欣所期望的是，通過更多地使用磁場(chǎng)與電磁場(chǎng)，就能夠擁有一種易如反掌地微調(diào)速度的能力。

（地球磁場(chǎng)磁重聯(lián)示意圖。圖源：ESA。）

當(dāng)NIF的成功影響著宇宙探索時(shí)，易卜拉欣指出，對(duì)于空間應(yīng)用，緊湊型核聚變的研究仍是需要的。她說：“對(duì)空間應(yīng)用來說，大質(zhì)量的組件是萬萬不可的。”

（物理學(xué)家法蒂瑪·易卜拉欣站在一架藝術(shù)渲染的核聚變火箭前。圖源：埃勒·斯塔克曼（Elle Starkman）來自普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室通訊辦公室。）

必要的“先驅(qū)”

持有同樣觀點(diǎn)的是保羅·吉爾斯特（Paul Gilster），半人馬座之夢(mèng)網(wǎng)站（Centauri Dreams website）的編輯。

吉爾斯特說：“我理所當(dāng)然要慶祝NIF的這次成就，它比最初的核聚變實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了更多的能量。這就是要將核聚變作為動(dòng)力源所必需的‘先驅(qū)’。在這次顯著的突破上要再接再厲，正所謂任重道遠(yuǎn)啊。

“隨著這一過程的發(fā)展，似乎還有幾十年的時(shí)間，我們就可以走向地球上真正的聚變發(fā)電廠。但對(duì)于宇宙探索，我們還需要考慮如何改進(jìn)反應(yīng)堆，使它可以滿足宇宙飛船的尺寸和質(zhì)量限制?！?/p>

（核聚變發(fā)電。圖源：Phys。）

吉爾斯特對(duì)于核聚變可以用于宇宙探索的信心是不容置疑的，但他還是認(rèn)為，達(dá)到這一點(diǎn)需要的不僅是幾十年。

“無論如何，這項(xiàng)工作是振奮人心的。但是當(dāng)我們考慮到太陽系外的探測(cè)任務(wù)時(shí)，我們不應(yīng)放松關(guān)于‘波束能量’等替代能源的研究?！彼a(bǔ)充到。

（勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施的靶室。圖源：勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室。）

排氣速度

理查德·迪南（Richard Dinan）是英國脈沖星聚變公司（Pulsar Fusion in the United Kingdom）的創(chuàng)始人。同時(shí)，他也是《聚變時(shí)代：現(xiàn)代核聚變反應(yīng)堆》（The Fusion Age: Modern Nuclear Fusion Reactors）一書的作者。

“核聚變推動(dòng)是一種應(yīng)用起來比核聚變能源更為簡單的技術(shù)。如果人們認(rèn)為核聚變是可以達(dá)到的，那么事實(shí)上，聚變推進(jìn)和聚變能都是必然會(huì)來臨的?！钡夏现赋觯八鼈冎幸粋€(gè)賦予我們無限制地為我們的星球提供動(dòng)力的能力，另一個(gè)則賦予我們離開太陽系的能力。這實(shí)在是不容小覷。

“經(jīng)過粗略計(jì)算，聚變等離子體產(chǎn)生的排氣速度是霍爾效應(yīng)推力器的一千倍。（霍爾效應(yīng)推力器是一種運(yùn)用電磁場(chǎng)產(chǎn)生和噴射等離子體的電推進(jìn)裝置。）

（霍爾效應(yīng)推力器工作原理。圖源：zhihu。）

“在我們看來，聚變推進(jìn)技術(shù)是能在航天經(jīng)濟(jì)中帶來經(jīng)濟(jì)效益的最重要的新興技術(shù)。”

脈沖星聚變公司一直以來都致力于“直接聚變驅(qū)動(dòng)器（Direct Fusion Drive）”的研究，這是一個(gè)建立于致密型聚變反應(yīng)堆基礎(chǔ)上的穩(wěn)態(tài)聚變推進(jìn)概念。

根據(jù)這個(gè)小組的網(wǎng)站，脈沖星聚變公司正在進(jìn)行“階段三任務(wù)”（Phase 3 task），是為生產(chǎn)一個(gè)初始測(cè)試單元。他們的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)在2023年進(jìn)行，在那之后將會(huì)是2027年的在軌技術(shù)演示。

[脈沖星聚變公司的直接聚變驅(qū)動(dòng)器（Direct Fusion Drive），一臺(tái)可以同時(shí)為宇宙飛船提供推力和電能的致密性核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)。圖源：脈沖星巨變公司（Pulsar Fusion）]

希望之光

“在媒體上報(bào)道的‘凈能量’毋庸置疑是一塊重要的里程碑?！崩瓲柗颉溈思{特（Ralph McNutt）說到。他是來自馬里蘭州勞雷爾市約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland）的物理學(xué)家和空間科學(xué)首席科學(xué)家?！半S著它進(jìn)一步發(fā)展，我們大可以拭目以待——這一成就克服先前失敗的嘗試的轉(zhuǎn)折點(diǎn)究竟是什么?！?/p>

麥克納特指出，從現(xiàn)在這塊“里程碑”達(dá)到“商用電力站”的目標(biāo)十有八九是一件難事。

“但是就像烏龜最終可以超過兔子那樣，當(dāng)解決棘手的技術(shù)難題時(shí)，堅(jiān)韌者不敗。

只要帶著對(duì)宇宙探索的敬畏，舉幾個(gè)歷史上的大事被解決的例子，是無傷大雅的。”

麥克納特又回想到：“所有這些事情都說明，盡管有NERVA（火箭飛行器用核引擎，是美國原子能委員會(huì)(Atomic Energy Commission,簡稱AEC)和NASA旗下的項(xiàng)目，由航天核推進(jìn)局(Space Nuclear Propulsion Office，簡稱SNPO)領(lǐng)導(dǎo)——譯者注。）或者說羅孚（Rover）所做出的所有貢獻(xiàn)，我們還是應(yīng)該保持頭腦清醒，因?yàn)楝F(xiàn)在仍然沒有可工作的核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以及對(duì)于核電推進(jìn)用于宇宙航行的期望只是一點(diǎn)兒黯淡的光——由1965年四月發(fā)射的“太空核輔助電力快照”（SNAP-10A，是美國發(fā)射的世界上第一個(gè)空間核反應(yīng)堆電源——譯者注。）點(diǎn)亮的黯淡的光。

“ICF（慣性約束核聚變）在功能性航天器中得到實(shí)際應(yīng)用是我們長久以來的夢(mèng)想?！丙溈思{特說，“但是它作為‘夢(mèng)想’這一事實(shí)，在很長一段時(shí)間內(nèi)都不會(huì)改變?！?/p>

[1989年美國國家航空航天局（NASA）劉易斯研究中心關(guān)于慣性約束聚變推進(jìn)的研究的封面。圖源：NASA。]

麥克納特又說：“宇宙航行從來不是一件簡單的事。現(xiàn)在許多商業(yè)實(shí)體公司可以追隨著NASA‘開拓的道路’前行，也并不意味著它變得簡單了。但是，ICF（慣性約束核聚變）的新成果點(diǎn)亮了一道希望之光，照耀著未來的地平線?！?/p>

BY:Leonard David

FY:Stella Zhang

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