美國核聚變又有大突破？Z箍縮意外搶先？已開始同步建設聚變電站
美國一家公司又要重大突破了？但這可能是一個天大的意外！
可控核聚變發電，有可能被一種很小很簡單，無需磁場約束並且成本很低，少於託卡馬克幾個數量級的裝置搶先實現。這個突破已經有多近了呢？據稱這種裝置將可能在65萬安培電流下達到Q=1，而目前他們已實現了50萬安培的穩定電流，正在建造可以實現100萬安培電流的下一代裝置。
而正是因爲這種裝置較爲簡單，又成本很低，可以快速迭代，這家公司已信心爆棚，開始同步進行核聚變電站的設計建設，準備在世界上第一個實現核聚變發電。
是不是匪夷所思，這也太快了吧，可控核聚變真的就要來了嗎？其實不僅是人造太陽，這種裝置還可用於深空推進，NASA和私營公司早就開始合作研究利用這種技術的聚變推進系統了，計算表明可以產生19400s的比衝值和38kN的推力，是化學燃料的約40倍，前往火星可能只需39天，350噸推進劑。
這家公司名叫Zap能源，起源於華盛頓大學1995年開始的研究，利用一種叫做Z箍縮的技術來實現核聚變。什麼是Z箍縮呢？這還得從1905年澳大利亞發生的一件意外事件說起，當時一道強烈的閃電劈中了一家煉油廠的避雷針，事後人們發現這根空心金屬管竟然像被人用手使勁捏過一樣，嚴重地向內皺縮扭曲變形，這種驚人的力量到底來自哪兒呢？
後來悉尼大學兩位科學家發現，這可能是雷擊產生的超強磁場造成的，當大電流穿過避雷針時，它和自己產生的磁場相互作用，這種力量可能就是讓金屬管壓縮變形的罪魁禍首。最終在1934年，美國科學家威拉德·貝內特完美解釋了這個現象，當電流通過一個導體時，會在導體周圍形成環形磁場，這個磁場會對導體中的電荷粒子施加力，推動它們嚮導體中心線方向運動，從而產生向心的壓縮力，這個現象因而被稱爲貝內特箍縮。
簡單來說就是，金屬管就像一根電線，雷擊導致電流在管道周圍形成環形磁場，如果金屬管是空心的，並且電流足夠強大，磁場向內收縮的力量就可能將金屬管壓縮扭曲變形。由於這股電流是沿笛卡爾座標系的z軸方向前進，所以後來所有這種引發收縮效應的類似裝置，就都被稱爲z箍縮了。
這時候你可能已經有了一個奇妙的腦洞，如果能用這種z箍縮來壓縮等離子體，是不是就可以引發核聚變呢？你的想法和科學家們不謀而合，世界上最早的核聚變研究就是從z箍縮開始的。
早在1946年，科學家們就提交了利用z箍縮進行受控核聚變的專利，1958年美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室利用z箍縮裝置完成了世界上第一個受控核聚變試驗，將氘的溫度加熱到了1500萬度，並檢測到了核聚變產生的中子。
不過在更早的1957年，世界上迄今爲止最爲強大的z箍縮聚變裝置，英國的大明星機器Zeta，就宣佈達到了這一溫度，併產生了核聚變中子，引發全球轟動，當時被認爲是比蘇聯發射第一顆人造衛星更偉大的科學進步。但後來證實中子是由等離子體中的質子與堆壁碰撞，通過中子散裂機制產生的，因而不得不恥辱地撤回了論文。
然而z箍縮產生的等離子體極不穩定，很容易就瞬間解體，時間只能維持在微秒量級。這很容易理解，等離子體由帶負電的電子和帶正電的質子組成，既互相吸引又相互排斥，而且還能量極高，火爆得一逼，你把它們壓縮在一起，就像兩個深仇大恨的黑幫團伙聚在一起，而且各自內部還矛盾重重敵意深厚，然後還喝了很多很多酒，你能讓他們安安靜靜坐在一起念阿彌陀佛嗎？
與此同時，蘇聯的磁約束託卡馬克裝置卻取得了極好的成果，在意識到z箍縮難以爲繼之後，英美很快就轉向了託卡馬克，自1970年代以後，Z箍縮技術基本上就停滯不前了，核聚變實驗的明星地位也不得不拱手讓出。
但華盛頓大學1995年開始的研究將z箍縮從垃圾堆裏又撈了回來，他們先後建造了3臺機器來進行試驗，最終找到了控制等離子體的關鍵：剪切流穩定技術，並在2017年創辦了Zap能源公司。
爲了更好地理解這項技術的原理，我們先來看看Zap能源的z箍縮是怎樣工作的。這個裝置的核心是一個大約3米長的圓柱形真空室，本質上是一個由內、中、外三個同軸電極組成的電容器組。核燃料氘和氚通過噴嘴注入，被電容器產生的強電脈衝電離，形成等離子體環，向着內部帶負電的陰極加速流動，在通過末端的鼻錐，也就是內電容器電極末端時，因爲電流磁場的壓縮而瞬間塌縮成細絲狀的剪切流柱，長約50釐米，直徑約1毫米。
這意味着等離子體會瞬間被壓縮到極高的溫度和密度，從而發生核聚變融合，釋放出攜帶巨大能量的中子，這些中子被內壁的液態鋰捕獲後與外界交換能量，就可以產生熱量來發電了，而生成的氚則被收集起來重新用作燃料。
簡單來說，就是等離子體被電容加速和壓縮，形成高溫高壓，發生核聚變，只是不需要外部的磁鐵，而是利用自身的磁場。
你看到這其中的關鍵沒有？根據Zap的模擬，整個裝置最關鍵的參數就是一個——電流，通過等離子體的電流越高，等離子體就會被壓縮得越稠密越熱，從而發生聚變的可能性也越大。而另一個關鍵就是等離子體的穩定，此前的裝置就是敗在等離子體還沒來得及核聚變，就煙消雲散，浪費電力了，而且不管怎樣都做不到，就是做不到。
那麼華盛頓大學是如何做到的呢？簡單來說，就是把電流改成脈衝式的，讓等離子體分成不同流速的層，通過控制脈衝電流的強度和持續時間，來調節等離子體內部的流速剪切，從而讓其變得更穩定，直到核聚變的發生。
這有點像河流上的水閘，通過控制閘門開關的間隔和持續時間，可以精確控制河水的平穩流動。不過這個比喻不足以說明問題，因爲等離子體剪切流非常複雜，具體的可以看我文章後面附的論文。
總之就是，通過這種方式，Zap能源似乎把z箍縮救活了，可能會率先實現可控核聚變。因爲根據他們目前模擬的結果，他們的z箍縮裝置將可能在65萬安培的電流下，實現Q=1的核聚變。
而目前他們已實現了50萬安培的穩定電流，達到了約1100萬度到3700萬度的高溫，是目前所有超過3000萬度高溫中最小、最簡單、成本最低的核聚變試驗裝置。他們正在建造的下一代裝置FuZE-Q，預計能量將是這一代的10倍，可以實現100萬安培的電流，等離子體也將達到更高的溫度和密度。
最關鍵的是，這種裝置不需要超導磁體，也不需要激光器，和託卡馬克等裝置比起來，可以說簡單得像玩具，規模也小得多，可以非常快速地迭代，成本可以便宜幾個數量級，所以他們預計有可能很快實現，並已開始在設計建造核聚變電站了。
最最關鍵的是，這種核聚變裝置一臺只有3米寬，可以產生50兆瓦的電力，足以爲一座小城市供電，一個發電廠就可以安裝很多臺，從而更有效地提高效率，降低成本。並且這種發電廠佔地面積很小，沒有污染排放，幾乎可以建在任何地方。
不過說了那麼多，還有那麼多論文以及琳琅滿目的實驗設備和機器，但說一千道一萬，最根本的Q值等於1我們還沒有看到，而且這個65萬安培電流就可能實現Q=1的核聚變，也只是Zap公司自己的研究模擬。z箍縮到底能不能實現核聚變，其實還是一個未知數，所以這究竟是不是一個重大突破，現在說起來可能還言之過早，人類的清潔能源夢想還要等多久，我們謹慎樂觀就好。
這項研究發表在4月8日的《物理評論快報》上。
參考：
Elevated Electron Temperature Coincident with Observed Fusion Reactions in a Sheared-Flow-Stabilized Z Pinch（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.155101）
Increasing plasma parameters using sheared flow stabilization of a Z-pinch（https://pubs.aip.org/aip/pop/article/24/5/055702/991358）
Results from the Sheared-Flow Stabilized Z-Pinch and Scaling to Fusion Conditions（https://nucleus.iaea.org/sites/fusionportal/Shared%20Documents/FEC%202016/fec2016-preprints/preprint0023.pdf）
https://www.zapenergy.com/
