今天來聊美國人正在偷偷干的一件大事兒，你這幾天是不是還在惆悵，韓國LK-99室溫超導沒有搞成？但美國人卻已悄悄地開始，用一種高溫超導材料，打造一個緊湊型的“人造太陽”，想要在2025年，也就是后年，實現氫聚變點火，并獲得凈能量的收益。
你第一個反應可能是，拉倒吧，人造太陽，還后年，再過50年都搞不定。你可別小看美國人干這事兒的決心，他們已經買下了全世界大部分的關鍵材料，2021年就制造出了世界上最強大的實用穩態強磁場，足以將一艘航空母艦抬離水面。而這種磁場，就是要用來建人造太陽的。
干這事兒的是麻省理工2018年成立的初創公司聯合核聚變系統（CFS），有人已經給他們投了20億美元，開始在波士頓附近的美國陸軍預備役基地，建造一個新型托卡馬克聚變反應堆Sparc，而這個反應堆最關鍵的材料就是氧化釔鋇銅（YBCO）膠帶，一種革命性的高溫超導材料。
核聚變是在高溫高壓下，打破原子核的排斥力，將其強行合并成重核，氫聚變就是將兩個氫核合并成一個氦核，這個有多難呢，大致相當于把1米7高的你，壓縮到你頭發直徑的百分之一，或者把地球壓縮到橄欖球大小，在這個過程中會釋放出巨大的能量，這是宇宙中太陽及其他恒星的能源來源。
這個釋放的能量究竟有多大呢？我們以煤炭為例，同樣質量的物質，鈾核裂變釋放的能量是煤炭的276萬倍，氘氚聚變釋放的能量是煤炭的1000萬倍，而反物質全部湮滅，釋放的能量更高達煤炭的28億倍。
所以你就可以想象，如果人類能夠實現可控核聚變，并將其用于發電，就可以釋放多大的能量，而且它沒有任何污染排放，出問題了聚變就會立刻停止，不會像裂變反應堆那樣，導致巨大持久的污染，我們將擁有一種完全清潔，絕對安全，可無限使用的無盡能源，從而有助于解決全球能源危機和氣候變暖。
而要實現人工核聚變，最關鍵的就是把上億度的高溫等離子體約束在一起，不讓它們接觸周圍的任何部件，避免熔毀反應堆。那么要如何才能做到呢？高溫等離子體是帶電的，所以我們可以用磁場把它與周圍的物質隔離開來，這樣的裝置就是托卡馬克裝置。
你可能會說，都說核聚變反應要上億度的高溫，我很難想象用磁場，能把它約束在直徑幾米、十幾米的空間里。地球磁場知道吧，可以說非常微弱，但它可以把帶電的太陽粒子擋住，形成美麗的極光，也可以擋住宇宙射線，讓地球生命得以生息繁衍。
而托卡馬克要把上億度的等離子體困在狹小的范圍內，最關鍵就是強大的磁場，通過這段時間韓國LK-99室溫超導的強行科普，你應該已經知道，超導體可以產生零電阻和強大的磁場了，而這些，正是托卡馬克裝置能夠有效產生和維持所需電流及強大磁場的關鍵。
但室溫超導沒戲了，人造太陽是不是就要放一放，緩一緩了呢？這個可不能緩，地球變暖已經刻不容緩，人類和地球其他生命的命運，也已經等不及了。
全球大規模合作的典范國際熱核聚變反應堆（ITER），從2007年開始設計建造，使用的就是鈮基低溫超導磁鐵，需要在液氦，也就是4K的溫度下工作，既昂貴又復雜，并限制了磁場強度的提高，還讓它的體積變得很大，直徑超過了12米，成本高達200億美元。ITER目前正在建造安裝，預計在2025年產生第一個等離子體，2035年開始聚變實驗，但也僅僅只是確定核聚變發電是否可行，真正的發電不知要等到猴年馬月去了。
但你在這幾年一浪高過一浪的熱浪中熬過就知道了，按照人類現在瘋狂消耗能源的德性，悲觀一點說，恐怕2035年都等不到，很多生命就要嗝屁了，我們就要茍延殘喘，室溫超導沒戲，低溫超導體積大，不是還有高溫超導嗎？干嘛都不用呢？
麻省理工用的材料釔鋇銅氧，就是一種高溫超導體。這里要簡單澄清一下，室溫超導和高溫超導，超導分低溫超導，也就是30K（-243.15℃）以下，高溫超導，也就是30K以上的超導體，而室溫超導，則是在0℃以上超導的材料，又叫常溫超導，也就是在我們還能茍且活著的溫度壓力范圍內，可以超導的材料，目前暫時還沒有發現。
釔鋇銅氧是第一個轉變溫度77K以上，高于液氮的高溫超導體，1987年由阿拉巴馬大學的吳茂昆和休斯敦大學的朱經武發現，后來科學家們發現它的單晶具有非常高的臨界電流密度，也就是保持超導性的同時，可以通過很大的電流，但多晶的卻很低，因而開發出了最有前途的方法，通過將釔鋇銅氧沉積，涂在薄薄的柔性金屬帶上，稱為釔鋇銅氧膠帶，或者高溫超導膠帶（HTS），可以在液氮溫度（-196℃）下工作，在更小的空間內產生更強的磁場，目前已有美國、日本、法國，及歐洲多家公司可以生產。
麻省理工2018年開始從這些公司采購HTS，將全球大部分的4毫米高溫超導膠帶都買了下來，然后繞成16個線圈，創建了一個可以環繞托卡馬克的環形磁場，并在2021年達到了破紀錄的，20特斯拉的磁場強度，是地磁場的40萬倍，這個強度有多大呢？它可以直接將一艘航空母艦抬出水面！
CFS在獲得20億美元投資后，已開始建造一個新型的托卡馬克聚變反應堆Sparc，需要18個超導磁體，10000公里的HTS膠帶，目前已買到了1/3，剩余部分已簽訂了訂單。
Sparc是一個緊湊、高場、凈聚變能量的裝置，主半徑1.85米，副半徑0.57米，環向磁場12.2特斯拉，等離子體電流8.7兆安，聚變功率50-100兆瓦，聚變增益Q大于10。這個是什么意思呢？
聚變增益Q是指核聚變反應堆產生的聚變功率，與維持等離子體所需的加熱功率之比，簡單來說，就是輸出能量和輸入能量之比。Q越大，說明反應堆效率越高，能夠產生更多的凈能量。當Q=1時，稱為臨界狀態，此時聚變功率等于加熱功率。當Q>1時，稱為超臨界狀態，反應堆產生凈能量。當Q大于5時，被認為可以點燃氘氚聚變，但要維持商業反應堆，Q需要達到30-50。點火后Q趨于無窮大，聚變功率遠大于加熱功率，反應堆就可以自我維持，并釋放巨大的能量，源源不斷地供我們揮霍，從而實現能源自由，以后點燈就點兩盞，一盞點在屋里，一盞點在太陽壩頭。
所以在釔鋇銅氧膠帶的加持下，Sparc的體積只有國際熱核聚變裝置ITER的1/40，成本可能只有1/50，要是真的能在2025年實現核聚變點火，并獲得凈能量收益，那簡直就是一個奇跡了。
這絕對是一個雄心勃勃的目標，但高溫超導技術的發展確實有可能讓它變成現實，而使用低溫超導磁體的ITER，由于拖延時間太久，可能還沒有建成，就已經完全落后了。這次韓國室溫超導LK-99，全世界鬧了一場，卻基本沒戲了，確實太讓人遺憾，不然可能會對人造太陽產生更大的影響。
事實上，全球目前正在掀起一股核聚變投資熱潮，許多私營公司和公共機構都在積極推進各種核聚變項目 。除了Sparc和ITER之外，還有許多其他有前途的項目，例如英國的MAST Upgrade、法國的WEST、美國的國家點火裝置、德國的Wendelstein 7-X等，甚至微軟已經和Open AI CEO山姆·奧特曼投資的Helion公司簽署購電協議，將在2028年前向其購買核聚變電力。這些項目都在探索不同類型和規模的托卡馬克裝置，或其他形式的核聚變裝置，以找到最好的人造太陽方案。
中國在這方面也沒有落后，也有生產高溫超導膠帶的能力，目前正在將產能提高到3000公里/年的目標，用于中國自行設計的托卡馬克裝置，今年7月5日就有報道稱，中國核工業第五建設有限公司已經與中國第一家開發聚變能的商業公司簽訂了總裝合同，承建全球首個全高溫超導核聚變實驗裝置，看看，好像還領先了。
看見沒有，就在你以為希望渺茫，準備在滾滾熱浪中了卻殘生的時候，全世界很多商業機構，卻似乎嗅到了核聚變可能即將突破的信號，這可能是去年美國國家點火裝置歷史上第一次點燃受控氫聚變，獲得凈能量收益帶來的影響，剛剛過去的7月30日，國家點火裝置又點燃了第二次氫聚變，雖然這兩次都只是膠囊處的凈能量收益，不是整個裝置的，但這正是最關鍵的一步，從0到1的一步。
我知道的已至少有兩家公司，在采用類似的脈沖點火方式來研發人造太陽。一家是日本的EX-Fusion，用激光不斷轟擊氘氚膠囊來實現核聚變反應。一家是英國初創公司第一光聚變（FLF），先是用炸藥，以后將用電磁炮來壓縮核膠囊，90秒點燃一次核聚變，用小太陽燒水發電，相當于一臺核聚變發動機，只是火花塞是用核聚變點火的。怎么樣，是不是很牛逼，很期待啊？
目前全球至少已有數十億美元，投入到民營核聚變技術的開發中，一旦核聚變發電成為現實，人類文明將迎來一場能源的革命性飛躍。那將是一種源源不斷的綠色能量之泉，讓地球上每一個生命，都可以自由地沐浴在，干凈、和諧的能量光環中。面對能源危機與氣候變暖的雙重挑戰，核聚變猶如一道明亮的曙光，讓人類邁向繁榮與可持續發展的美好明天，我們將告別過去的匱乏與焦慮，共同享受清潔與富足帶來的和平和幸福。
參考：
https://spectrum.ieee.org/fusion-2662267312
