核聚变取得突破：这对于宇宙探索意味着什么？

一些科学家指出，聚变推进是必然会发生的。那么，考虑到核聚变最近的突破，它离我们还有多远呢？

（图源：华盛顿大学。）

最近宣布的“聚变点火”是一项巨大的科学进展，而这一进步花费了数十年的研究。相比于由激光能源激发的第一次可控核聚变，这次成功产生了更多的能量。

模拟为太阳提供能量的聚变。

（核聚变原理。图源：nglearninglab。）

在2022年12月5日，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室中国家点火装置（NIF）的一个团队竖起了这一里程碑。正如实验室负责人金·布迪尔（Kim Budil）所说：“跨过这道门槛，是六十年来促使我们忘我追求的图景，我们不停地学习，建设，扩展知识和能力，然后寻找克服新的挑战的方法。”

核聚变提供能量，将会带来很大的影响，它点燃了人们对清洁的、无限制的能源的希望。在宇宙探索方面，长久以来，实现用核聚变作为火箭发动机就是我们的梦想。

但是现在，这个预期到底是痴人说梦，还是可以实现的呢？我们的未来又究竟是什么样的呢？

（核聚变。图源：shalemag。）

数据点

核聚变的这一突破，对于来自位于新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室能源部（the U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory in New Jersey）的法蒂玛·易卜拉欣（Fatima Ebrahimi）来说，是一个期待已久的、令人振奋的消息。

易卜拉欣说这次，NIF实在是获得了一次不同寻常的成功。

“在实验中得到的所有数据点都指向了核聚变的成功——这真的太妙了！这对于聚变能源来说不仅仅只是一个成就那么简单。”易卜拉欣说。接着她又补充说：“然而，想让NIF的反应堆成为经济上切实可行的，更多工程上的创新仍然是必不可少的。”

易卜拉欣正在研究如何用最大的速度驱动人类去到火星，甚至火星以外的地方。而这项工作涉及到了一种火箭推进器的新设想——去运用太阳耀斑的“运行机制”。

这一设想是用“磁重联”给微粒加速。“磁重联”是一种在太阳表面乃至整个宇宙中都能被发现的现象。它指的是当磁场线联结，突然分散开，又聚集在一起时会产生大量的能量的现象。易卜拉欣所期望的是，通过更多地使用磁场与电磁场，就能够拥有一种易如反掌地微调速度的能力。

（地球磁场磁重联示意图。图源：ESA。）

当NIF的成功影响着宇宙探索时，易卜拉欣指出，对于空间应用，紧凑型核聚变的研究仍是需要的。她说：“对空间应用来说，大质量的组件是万万不可的。”

（物理学家法蒂玛·易卜拉欣站在一架艺术渲染的核聚变火箭前。图源：埃勒·斯塔克曼（Elle Starkman）来自普林斯顿等离子体物理实验室通讯办公室。）

必要的“先驱”

持有同样观点的是保罗·吉尔斯特（Paul Gilster），半人马座之梦网站（Centauri Dreams website）的编辑。

吉尔斯特说：“我理所当然要庆祝NIF的这次成就，它比最初的核聚变实验产生了更多的能量。这就是要将核聚变作为动力源所必需的‘先驱’。在这次显著的突破上要再接再厉，正所谓任重道远啊。

“随着这一过程的发展，似乎还有几十年的时间，我们就可以走向地球上真正的聚变发电厂。但对于宇宙探索，我们还需要考虑如何改进反应堆，使它可以满足宇宙飞船的尺寸和质量限制。”

（核聚变发电。图源：Phys。）

吉尔斯特对于核聚变可以用于宇宙探索的信心是不容置疑的，但他还是认为，达到这一点需要的不仅是几十年。

“无论如何，这项工作是振奋人心的。但是当我们考虑到太阳系外的探测任务时，我们不应放松关于‘波束能量’等替代能源的研究。”他补充到。

（劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施的靶室。图源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室。）

排气速度

理查德·迪南（Richard Dinan）是英国脉冲星聚变公司（Pulsar Fusion in the United Kingdom）的创始人。同时，他也是《聚变时代：现代核聚变反应堆》（The Fusion Age: Modern Nuclear Fusion Reactors）一书的作者。

“核聚变推动是一种应用起来比核聚变能源更为简单的技术。如果人们认为核聚变是可以达到的，那么事实上，聚变推进和聚变能都是必然会来临的。”迪南指出，“它们中一个赋予我们无限制地为我们的星球提供动力的能力，另一个则赋予我们离开太阳系的能力。这实在是不容小觑。

“经过粗略计算，聚变等离子体产生的排气速度是霍尔效应推力器的一千倍。（霍尔效应推力器是一种运用电磁场产生和喷射等离子体的电推进装置。）

（霍尔效应推力器工作原理。图源：zhihu。）

“在我们看来，聚变推进技术是能在航天经济中带来经济效益的最重要的新兴技术。”

脉冲星聚变公司一直以来都致力于“直接聚变驱动器（Direct Fusion Drive）”的研究，这是一个建立于致密型聚变反应堆基础上的稳态聚变推进概念。

根据这个小组的网站，脉冲星聚变公司正在进行“阶段三任务”（Phase 3 task），是为生产一个初始测试单元。他们的静态实验预计在2023年进行，在那之后将会是2027年的在轨技术演示。

[脉冲星聚变公司的直接聚变驱动器（Direct Fusion Drive），一台可以同时为宇宙飞船提供推力和电能的致密性核聚变发动机。图源：脉冲星巨变公司（Pulsar Fusion）]

希望之光

“在媒体上报道的‘净能量’毋庸置疑是一块重要的里程碑。”拉尔夫·麦克纳特（Ralph McNutt）说到。他是来自马里兰州劳雷尔市约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland）的物理学家和空间科学首席科学家。“随着它进一步发展，我们大可以拭目以待——这一成就克服先前失败的尝试的转折点究竟是什么。”

麦克纳特指出，从现在这块“里程碑”达到“商用电力站”的目标十有八九是一件难事。

“但是就像乌龟最终可以超过兔子那样，当解决棘手的技术难题时，坚韧者不败。

只要带着对宇宙探索的敬畏，举几个历史上的大事被解决的例子，是无伤大雅的。”

麦克纳特又回想到：“所有这些事情都说明，尽管有NERVA（火箭飞行器用核引擎，是原子能委员会(Atomic Energy Commission,简称AEC)和NASA旗下的项目，由航天核推进局(Space Nuclear Propulsion Office，简称SNPO)领导——译者注。）或者说罗孚（Rover）所做出的所有贡献，我们还是应该保持头脑清醒，因为现在仍然没有可工作的核热火箭发动机，以及对于核电推进用于宇宙航行的期望只是一点儿黯淡的光——由1965年四月发射的“太空核辅助电力快照”（SNAP-10A，是发射的世界上第一个空间核反应堆电源——译者注。）点亮的黯淡的光。

“ICF（惯性约束核聚变）在功能性航天器中得到实际应用是我们长久以来的梦想。”麦克纳特说，“但是它作为‘梦想’这一事实，在很长一段时间内都不会改变。”

[1989年国家航空航天局（NASA）刘易斯研究中心关于惯性约束聚变推进的研究的封面。图源：NASA。]

麦克纳特又说：“宇宙航行从来不是一件简单的事。现在许多商业实体公司可以追随着NASA‘开拓的道路’前行，也并不意味着它变得简单了。但是，ICF（惯性约束核聚变）的新成果点亮了一道希望之光，照耀着未来的地平线。”

BY:Leonard David

FY:Stella Zhang

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

来源: 天文在线