2024年，似乎是可控核聚變的熱門年，各種各樣突破的消息不斷傳來。除了可控核聚變發電站以外，還有一個核聚變飛船值得關注。英國一家公司准備生産一款核聚變發動機，2024年就要做地面試驗，2027年就要做在軌試驗，這款發動機靠譜嗎？英國真能靠核聚變飛船彎道超車嗎？我是東城觀星，再跟大家聊聊核聚變的話題。
前面我們已經說過幾次了，可控核聚變真正用來發電，恐怕短期內難以實現，十年都是保守數字。可是這家英國公司四年內就要把可控核聚變發動機送到太空工作，是不是有點太誇張了啊？
不管是激光核聚變裝置，還是磁約束核聚變裝置，都是體型非常龐大的大家夥。安裝在法國的國際熱核聚變實驗堆，更是重達2.3萬噸，占地面積達到2700多畝。最終能用來穩定發電的核聚變裝置，很有可能比這些原型反應堆還要大。這些龐然大物比曆史上最大的火箭還要龐大得多，把這些龐然大物送到太空，目前的人類科技是做不到的，兩百枚土星五號，才能把2.3萬噸的貨物送進太空，再考慮上2700多畝的龐大體型，用火箭發射，顯然是不現實的。
人類費了九牛二虎之力，都沒有在地球上實現長時間穩定的可控核聚變，卻要到太空去實現穩定可控核聚變了？這聽著都有些誇張吧。那英國公司宣稱研發的核聚變發動機是忽悠人的嗎？咱們繼續分析一下。
據報道，英國公司研發的那款核聚變發動機，長度只有10米，直徑只有3.5米，可以說是一個微型的核聚變反應堆。采用的是磁約束核聚變方案，按照傳統的磁約束核聚變模型，這麽小的體型是不太可能穩定運行的。但是總有聰明人能另辟蹊徑，人家設計了一種全新的磁約束核聚變方案。傳統的磁約束核聚變，用磁場來控制一個類似甜甜圈的等離子體旋轉火環，核聚變發生在火環內部，只有反應堆體積達到一定程度，才能滿足穩定發電的要求。核聚變發動機則是用磁場控制等離子體，形成一個類似橄榄球的火球，核聚變發生在火球內部，這種約束方式更有利于反應堆的小型化甚至微型化。
這個橄榄球型的火球，産生核聚變以後，通過電磁輻射來發電，最高能達到MW級別，也就是幾百到一千台小型空調的功率。
核聚變發動機推動火箭的方式更加巧妙，並不是把橄榄球型的火球內的火直接向外噴射産生推力，而是往火球表面噴射推進劑，火球直接加熱推進劑後，讓推進劑向外噴出。這樣做的好處是，大大降低了核燃料的浪費問題，所謂的可控核聚變反應效率是非常低的，如果直接噴火的話，絕大多數核燃料沒有反應就被噴出去了，這是非常不劃算的。使用更便宜的氫氣被加熱後往外噴，能節省不少成本，也能延長反應堆的工作時間。
這種推進方式其實也叫核熱推進，就是利用核能産生的熱量直接加熱推進劑，産生推力。這種核熱推進方式能夠同時兼容化學燃料發動機和電推進發動機的優勢，帶來最佳的推進體驗。所謂化學燃料發動機的優勢就是推力大、推重比高，缺點是比沖小費燃料。而電推進發動機的優點是比沖大省燃料，缺點是推力小、推重比小。
核熱推進可以達到電推進發動機的比沖值，在節省燃料上不次于電推進發動機。同時還能實現大推力，電推進發動機推力往往都是以毫牛爲單位，能達到幾牛頓就很不錯了，而1牛頓的推力，也不過就是在地球上拿起一枚雞蛋的力氣。英國設計的那款核聚變發動機，推力能達到一百牛，這樣的推力在太空中還是很有優勢的，能夠讓飛船更快地切換軌道，能選擇更近的路線，實現所謂的彎道超車，從而能大大節省路上的時間。比如，英國這款發動機，根據設計參數，可以把從地球飛到火星的時間縮短一半，一百天左右就能到達，甚至可以把從地球飛到土星的時間縮短爲五分之一，從原來的十年變成兩年。隨著技術的不斷成熟，核聚變發動機的推力還可以進一步提升。
總之，不管這家英國公司的發動機能不能四年內送進太空，至少他們的發動機從原理上是可行的，也就是說研制一款核聚變發動機並不是天方夜譚。
英國公司核聚變發動機真能四年內飛入太空嗎？核聚變反應是人類面對的最暴烈的反應，也是最難控制的反應。從氫彈爆炸到現在，已經七十多年了，核裂變發電站已經發展到了第四代，可是可控核聚變發電站仍然遙遙無期。在地面上控制核聚變都如此困難，跑到太空就容易控制了嗎？
雖然從原理上，可控核聚變並不是天方夜譚，但經過多年的實踐，人類發現要想實現真正意義上的可控核聚變仍然是困難重重的。在地球上，核聚變裝置靠龐大的體型和強大的磁場來控制核燃料，減少極端高溫給裝置材料帶來的傷害，同時還搭配上厚實且耐高溫的內壁材料，依然還沒有真正做到可以持續反應。
太空中的核反應堆，風險自然更高。一方面體型要小巧很多，相應地高溫火球跟內壁材料的距離就會非常近，同時所有飛向太空的東西都要越輕越好，這跟耐高溫防護材料的特性是矛盾的，如何做好熱防護，在太空顯然比在地球上更困難。
核聚變反應必然會産生需要丟棄的氦，也叫氦灰，這個氦灰積攢起來會嚴重影響核聚變反應。地面上磁約束核聚變是甜甜圈式的火環，能夠較爲輕松地把氦灰給甩出去，還能回收不該丟棄的核燃料。但在太空中那種橄榄球一樣的火球，排除氦灰顯然要費事很多，而且回收核燃料並不太現實，必然造成核燃料的浪費，誰家發動機更厲害，關鍵看誰家發動機燃料利用率更高了。
還有就是，這種太空核聚變，並不能像其他火箭發動機那樣，隨時熄火隨時點火。核聚變點火需要極高的電量，這些電量從哪裏來，儲存在哪裏，都不是隨便就能輕松解決的，需要反複論證。核聚變點火以後，就不用擔心電能不足了。但熄火以後，能不能儲存足夠的電量供下一次點火，那非常關鍵。同時，一旦熄火，火球裏面的核燃料恐怕很難回收回來，只能直接排掉，帶來巨量的浪費。熄火一兩次，恐怕核燃料就被浪費差不多了。如果這些問題不解決好，核聚變發動機就只能無休止地工作，不能中途熄火，一旦熄火就只能報廢。恐怕很難像科幻作品中那樣，中途隨時停火檢修一下發動機。絕大多數核聚變發動機恐怕都是一次點火就會幹到報廢的。
還有一點困難需要提一下，英國這款發動機核燃料選擇氘和氦3，更加清潔，不産生中子，副作用小。但點火溫度會比氘和氚的燃燒高很多，氘氚燃燒都需要一到兩億攝氏度的溫度來點火，氘和氦3點火溫度應該是這個溫度的好幾倍。不僅需要更高的電量來點火和維持反應，更需要對發動機內部材料進行加固和保護，否則發動機壽命會大大受影響。
分析完這些困難，我們可以預料，核聚變發動機即使能研發成功，能在太空工作，恐怕壽命也不會太長，往往都是一次性工作的，用到無人探測器上還可以，用到載人深空探測，恐怕風險是很高的。短時間內坐著核聚變飛船飛出太陽系尋找新家園是不太可能的。
至于英國公司能不能在四年內實現太空試驗，我個人也抱謹慎樂觀的態度。你認爲2027年我們能見證第一個核聚變發動機飛入太空工作嗎？請在評論區討論一下。
我是東城觀星，關注我，定期給大家講點高科技的知識。
