核聚變取得突破：這對于宇宙探索意味著什么？
一些科學家指出，聚變推進是必然會發生的。那么，考慮到核聚變最近的突破，它離我們還有多遠呢？
（圖源：華盛頓大學。）
最近宣布的“聚變點火”是一項巨大的科學進展，而這一進步花費了數十年的研究。相比于由激光能源激發的第一次可控核聚變，這次成功產生了更多的能量。
模擬為太陽提供能量的聚變。
廣告×（核聚變原理。圖源：nglearninglab。）
在2022年12月5日，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室中美國國家點火裝置（NIF）的一個團隊豎起了這一里程碑。正如實驗室負責人金·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，我們不停地學習，建設，擴展知識和能力，然后尋找克服新的挑戰的方法。”
核聚變提供能量，將會帶來很大的影響，它點燃了人們對清潔的、無限制的能源的希望。在宇宙探索方面，長久以來，實現用核聚變作為火箭發動機就是我們的夢想。
但是現在，這個預期到底是癡人說夢，還是可以實現的呢？我們的未來又究竟是什么樣的呢？
（核聚變。圖源：shalemag。）
數據點
核聚變的這一突破，對于來自位于新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室美國能源部（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，是一個期待已久的、令人振奮的消息。
易卜拉欣說這次，NIF實在是獲得了一次不同尋常的成功。
“在實驗中得到的所有數據點都指向了核聚變的成功——這真的太妙了！這對于聚變能源來說不僅僅只是一個成就那么簡單。”易卜拉欣說。接著她又補充說：“然而，想讓NIF的反應堆成為經濟上切實可行的，更多工程上的創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驅動人類去到火星，甚至火星以外的地方。而這項工作涉及到了一種火箭推進器的新設想——去運用太陽耀斑的“運行機制”。
這一設想是用“磁重聯”給微粒加速。“磁重聯”是一種在太陽表面乃至整個宇宙中都能被發現的現象。它指的是當磁場線聯結，突然分散開，又聚集在一起時會產生大量的能量的現象。易卜拉欣所期望的是，通過更多地使用磁場與電磁場，就能夠擁有一種易如反掌地微調速度的能力。
（地球磁場磁重聯示意圖。圖源：ESA。）
當NIF的成功影響著宇宙探索時，易卜拉欣指出，對于空間應用，緊湊型核聚變的研究仍是需要的。她說：“對空間應用來說，大質量的組件是萬萬不可的。”
（物理學家法蒂瑪·易卜拉欣站在一架藝術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驗室通訊辦公室。）
必要的“先驅”
持有同樣觀點的是保羅·吉爾斯特（Paul Gilster），半人馬座之夢網站（Centauri Dreams website）的編輯。
吉爾斯特說：“我理所當然要慶祝NIF的這次成就，它比最初的核聚變實驗產生了更多的能量。這就是要將核聚變作為動力源所必需的'先驅’。在這次顯著的突破上要再接再厲，正所謂任重道遠啊。
“隨著這一過程的發展，似乎還有幾十年的時間，我們就可以走向地球上真正的聚變發電廠。但對于宇宙探索，我們還需要考慮如何改進反應堆，使它可以滿足宇宙飛船的尺寸和質量限制。”
（核聚變發電。圖源：Phys。）
吉爾斯特對于核聚變可以用于宇宙探索的信心是不容置疑的，但他還是認為，達到這一點需要的不僅是幾十年。
“無論如何，這項工作是振奮人心的。但是當我們考慮到太陽系外的探測任務時，我們不應放松關于'波束能量’等替代能源的研究。”他補充到。
（勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施的靶室。圖源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室。）
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）的創始人。同時，他也是《聚變時代：現代核聚變反應堆》（The Fusion Age: Modern Nuclear Fusion Reactors）一書的作者。
“核聚變推動是一種應用起來比核聚變能源更為簡單的技術。如果人們認為核聚變是可以達到的，那么事實上，聚變推進和聚變能都是必然會來臨的。”迪南指出，“它們中一個賦予我們無限制地為我們的星球提供動力的能力，另一個則賦予我們離開太陽系的能力。這實在是不容小覷。
“經過粗略計算，聚變等離子體產生的排氣速度是霍爾效應推力器的一千倍。（霍爾效應推力器是一種運用電磁場產生和噴射等離子體的電推進裝置。）
（霍爾效應推力器工作原理。圖源：zhihu。）
“在我們看來，聚變推進技術是能在航天經濟中帶來經濟效益的最重要的新興技術。”
脈沖星聚變公司一直以來都致力于“直接聚變驅動器（Direct Fusion Drive）”的研究，這是一個建立于致密型聚變反應堆基礎上的穩態聚變推進概念。
根據這個小組的網站，脈沖星聚變公司正在進行“階段三任務”（Phase 3 task），是為生產一個初始測試單元。他們的靜態實驗預計在2023年進行，在那之后將會是2027年的在軌技術演示。
[脈沖星聚變公司的直接聚變驅動器（Direct Fusion Drive），一臺可以同時為宇宙飛船提供推力和電能的致密性核聚變發動機。圖源：脈沖星巨變公司（Pulsar Fusion）]
希望之光
“在媒體上報道的'凈能量’毋庸置疑是一塊重要的里程碑。”拉爾夫·麥克納特（Ralph McNutt）說到。他是來自馬里蘭州勞雷爾市約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland）的物理學家和空間科學首席科學家。“隨著它進一步發展，我們大可以拭目以待——這一成就克服先前失敗的嘗試的轉折點究竟是什么。”
麥克納特指出，從現在這塊“里程碑”達到“商用電力站”的目標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，當解決棘手的技術難題時，堅韌者不敗。
只要帶著對宇宙探索的敬畏，舉幾個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(Atomic Energy Commission,簡稱AEC)和NASA旗下的項目，由航天核推進局(Space Nuclear Propulsion Office，簡稱SNPO)領導——譯者注。）或者說羅孚（Rover）所做出的所有貢獻，我們還是應該保持頭腦清醒，因為現在仍然沒有可工作的核熱火箭發動機，以及對于核電推進用于宇宙航行的期望只是一點兒黯淡的光——由1965年四月發射的“太空核輔助電力快照”（SNAP-10A，是美國發射的世界上第一個空間核反應堆電源——譯者注。）點亮的黯淡的光。
“ICF（慣性約束核聚變）在功能性航天器中得到實際應用是我們長久以來的夢想。”麥克納特說，“但是它作為'夢想’這一事實，在很長一段時間內都不會改變。”
[1989年美國國家航空航天局（NASA）劉易斯研究中心關于慣性約束聚變推進的研究的封面。圖源：NASA。]
麥克納特又說：“宇宙航行從來不是一件簡單的事。現在許多商業實體公司可以追隨著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）的新成果點亮了一道希望之光，照耀著未來的地平線。”
BY:Leonard David
FY:Stella Zhang
如有相關內容侵權，請在作品發布后聯系作者刪除
轉載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處
