2020 年：氢硼聚变可能梦想成真

科技的各个领域联系如此紧密，一个领域的突破可以迅速引发其他领域的突破的连锁反应。 “不可能”变成可能，困难变成容易。那些早已被抛弃、难以实现的想法，突然焕发出新的生命。氢硼聚变就是一个例子。原则上，氢原子核和硼原子核之间的聚变反应可以提供一种高效、无放射性的核能，而且燃料储备几乎是无限的。该反应不会产生危险的穿透辐射，也不会产生放射性废物，只会产生稳定的阿尔法粒子，其电荷甚至可以将聚变能直接转化为电能。这些优势早已为人所知，但直到最近，人们认为氢硼反应堆所需的物理条件——包括数十亿摄氏度的温度——似乎远远超出了人们在可预见的未来所能达到的任何目标。与此同时，由于激光系统的发展，可以产生几飞秒范围内的超短脉冲（一飞秒等于十亿分之一秒），以及发现将这种脉冲放大数万亿倍或更多的方法。该方法称为啁啾脉冲放大，其发现者 Gérard Morou 和 Donna Strickland 于 2018 年获得诺贝尔奖。 在 CPA 的帮助下，可以将足够的能量集中到超短脉冲中，使其达到功率在拍瓦（100 亿瓦）范围内。这是世界上所有发电站功率总和的 100 多倍——尽管只是很短的时间。在这种激光脉冲的焦点处，光强度达到每平方厘米数千亿亿瓦的数量级，这与如果从太阳到达地球的全部能量集中到一个单一的毫米大小的斑点。物理学家称之为“极光”。重要的不是令人难以置信的数字，而是当这些激光脉冲与物质相互作用时会发生全新的事情这一事实。极光是基础物理学和应用物理学中最令人兴奋的领域之一，对技术的未来具有革命性的影响。

近半个世纪以来，人们一直在探索使用激光触发聚变反应的方法。基本概念是用同时的能量脉冲从四面八方轰击一个微小的球形燃料颗粒，使颗粒压缩到高密度并加热到发生聚变反应所需的温度。超高温和超高密度的结合是必要的，以达到所谓的点火——反应过程变得自我维持的条件，导致有效的“微爆炸”释放大量能量。对这种整体方法的追求导致了世界上最大的激光器的建设，即美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室价值超过 30 亿美元的国家点火设施 (NIF)。 NIF 不是通过氢-硼反应，而是通过氢同位素氘 (D) 和氚 (T) 之间的反应进行操作，后者更容易实现。 DT 反应需要“仅”约 1 亿度的温度，并且反应速率比氢硼高得多。不幸的是，尽管取得了一些扎实的成就，但 NIF 未能实现其实现“点火”的既定目标。基于 NIF 方法的商业上可行的激光聚变发电站的前景已经更远了。既然氢硼反应比DT难实现，而且DT已经被证明如此顽固，我们为什么要谈论氢硼？原因是物质在“极光”影响下的新行为使得点燃氢硼混合物的捷径成为可能，而不必担心加热和压缩它。用于激光聚变的 NIF 和类似装置并非旨在利用相关现象。粗略地说：我们取少量形状为圆柱体的燃料，并用激光脉冲击中它的一端。事实证明，当激光脉冲足够短、足够强大并且具有足够“干净”的形式时，很少有能量用于加热。相反，主要作用是将暴露的燃料层加速到超高速度——每秒 1,000 公里或更多。

通过非线性机制，激光脉冲的能量被高效地转换为电子和燃料核的定向运动，而不是与热量相关的随机运动。以类似于粒子束的方式，但密度高数万亿倍，向内加速的燃料层撞击相邻的燃料，点燃氢硼反应雪崩，导致高温“燃烧波”传播沿着圆柱的轴线。该策略的发明者、澳大利亚物理学家和长期激光聚变专家 Heinrich Hora 教授可以指出支持他的方法的一系列实验和理论计算。其中包括几个国际研究小组的实验，展示了超短、超高功率激光脉冲实际产生的氢硼反应。近年来，检测到的反应数量突飞猛进。其中最新的一次在布拉格的 PALS 激光设施中进行并于今年早些时候报道，产生了超过 100 亿次反应，为将产量进一步提高数量级开辟了道路。 Heinrich Hora 教授提出了未来 8-10 年的研发路线图，旨在建设原型氢硼电厂 虽然仍有许多问题有待回答，但看起来就像是氢硼聚变反应堆的梦想很有可能成为现实。 Hora 提出了一个研发路线图，旨在在未来 8-10 年内建造一座氢硼电厂原型。与普通核电站相比，这种原型机的建造和运营要小得多，而且要简单得多，而且不会造成重大的安全问题。根据 Hora 的说法，价格标签约为 80-1 亿美元。与为新的裂变反应堆设计建造原型的成本相比，这是微不足道的。请记住，核裂变是一项成熟的技术，大约有 450 个动力反应堆投入商业运行（请参阅我的文章：拯救核能：法国做对了）；而氢硼还处于试验阶段。但任何研究它的人都会对战略、路线图和围绕它开始形成的高级别科学合作印象深刻。 Hora 关于氢硼反应的技术出版物的合著者名单包括来自美国、中国、以色列、澳大利亚、伊朗、法国、意大利、西班牙、捷克共和国和波兰的激光实验室和国家研究中心的领先科学家。专利已在美国、中国和日本获得授权，在欧洲正在申请中。 Hora 成立了一家名为 HB11 Energy 的公司，该公司打算筹集投资者资金，并将各种研发任务分给世界各地的现有设施。在本系列文章中，我将首先讨论氢硼核反应，然后是一些必要的聚变基础知识，啁啾脉冲放大的突破性技术如何工作，Hora 方法的基本物理学，迄今为止的实验进展，最后是什么氢硼聚变反应堆的原型看起来像。该系列将通过对 Heinrich Hora 的采访而结束。

该系列可供一般读者阅读，但包含一些知识渊博的读者会感兴趣的信息。 Jonathan Tennenbaum 于 1973 年在 22 岁时从加利福尼亚大学获得数学博士学位。他还是一名物理学家、语言学家和钢琴家，他是 FUSION 杂志的前编辑。他住在柏林，经常到亚洲和其他地方旅行，提供经济、科学和技术方面的咨询。