美国一家公司又要重大突破了？但这可能是一个天大的意外！
可控核聚变发电，有可能被一种很小很简单，无需磁场约束并且成本很低，少于托卡马克几个数量级的装置抢先实现。这个突破已经有多近了呢？据称这种装置将可能在65万安培电流下达到Q=1，而目前他们已实现了50万安培的稳定电流，正在建造可以实现100万安培电流的下一代装置。
而正是因为这种装置较为简单，又成本很低，可以快速迭代，这家公司已信心爆棚，开始同步进行核聚变电站的设计建设，准备在世界上第一个实现核聚变发电。
是不是匪夷所思，这也太快了吧，可控核聚变真的就要来了吗？其实不仅是人造太阳，这种装置还可用于深空推进，NASA和私营公司早就开始合作研究利用这种技术的聚变推进系统了，计算表明可以产生19400s的比冲值和38kN的推力，是化学燃料的约40倍，前往火星可能只需39天，350吨推进剂。
这家公司名叫Zap能源，起源于华盛顿大学1995年开始的研究，利用一种叫做Z箍缩的技术来实现核聚变。什么是Z箍缩呢？这还得从1905年澳大利亚发生的一件意外事件说起，当时一道强烈的闪电劈中了一家炼油厂的避雷针，事后人们发现这根空心金属管竟然像被人用手使劲捏过一样，严重地向内皱缩扭曲变形，这种惊人的力量到底来自哪儿呢？
后来悉尼大学两位科学家发现，这可能是雷击产生的超强磁场造成的，当大电流穿过避雷针时，它和自己产生的磁场相互作用，这种力量可能就是让金属管压缩变形的罪魁祸首。最终在1934年，美国科学家威拉德·贝内特完美解释了这个现象，当电流通过一个导体时，会在导体周围形成环形磁场，这个磁场会对导体中的电荷粒子施加力，推动它们向导体中心线方向运动，从而产生向心的压缩力，这个现象因而被称为贝内特箍缩。
简单来说就是，金属管就像一根电线，雷击导致电流在管道周围形成环形磁场，如果金属管是空心的，并且电流足够强大，磁场向内收缩的力量就可能将金属管压缩扭曲变形。由于这股电流是沿笛卡尔坐标系的z轴方向前进，所以后来所有这种引发收缩效应的类似装置，就都被称为z箍缩了。
这时候你可能已经有了一个奇妙的脑洞，如果能用这种z箍缩来压缩等离子体，是不是就可以引发核聚变呢？你的想法和科学家们不谋而合，世界上最早的核聚变研究就是从z箍缩开始的。
早在1946年，科学家们就提交了利用z箍缩进行受控核聚变的专利，1958年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室利用z箍缩装置完成了世界上第一个受控核聚变试验，将氘的温度加热到了1500万度，并检测到了核聚变产生的中子。
不过在更早的1957年，世界上迄今为止最为强大的z箍缩聚变装置，英国的大明星机器Zeta，就宣布达到了这一温度，并产生了核聚变中子，引发全球轰动，当时被认为是比苏联发射第一颗人造卫星更伟大的科学进步。但后来证实中子是由等离子体中的质子与堆壁碰撞，通过中子散裂机制产生的，因而不得不耻辱地撤回了论文。
然而z箍缩产生的等离子体极不稳定，很容易就瞬间解体，时间只能维持在微秒量级。这很容易理解，等离子体由带负电的电子和带正电的质子组成，既互相吸引又相互排斥，而且还能量极高，火爆得一逼，你把它们压缩在一起，就像两个深仇大恨的黑帮团伙聚在一起，而且各自内部还矛盾重重敌意深厚，然后还喝了很多很多酒，你能让他们安安静静坐在一起念阿弥陀佛吗？
与此同时，苏联的磁约束托卡马克装置却取得了极好的成果，在意识到z箍缩难以为继之后，英美很快就转向了托卡马克，自1970年代以后，Z箍缩技术基本上就停滞不前了，核聚变实验的明星地位也不得不拱手让出。
但华盛顿大学1995年开始的研究将z箍缩从垃圾堆里又捞了回来，他们先后建造了3台机器来进行试验，最终找到了控制等离子体的关键：剪切流稳定技术，并在2017年创办了Zap能源公司。
为了更好地理解这项技术的原理，我们先来看看Zap能源的z箍缩是怎样工作的。这个装置的核心是一个大约3米长的圆柱形真空室，本质上是一个由内、中、外三个同轴电极组成的电容器组。核燃料氘和氚通过喷嘴注入，被电容器产生的强电脉冲电离，形成等离子体环，向着内部带负电的阴极加速流动，在通过末端的鼻锥，也就是内电容器电极末端时，因为电流磁场的压缩而瞬间塌缩成细丝状的剪切流柱，长约50厘米，直径约1毫米。
这意味着等离子体会瞬间被压缩到极高的温度和密度，从而发生核聚变融合，释放出携带巨大能量的中子，这些中子被内壁的液态锂捕获后与外界交换能量，就可以产生热量来发电了，而生成的氚则被收集起来重新用作燃料。
简单来说，就是等离子体被电容加速和压缩，形成高温高压，发生核聚变，只是不需要外部的磁铁，而是利用自身的磁场。
你看到这其中的关键没有？根据Zap的模拟，整个装置最关键的参数就是一个——电流，通过等离子体的电流越高，等离子体就会被压缩得越稠密越热，从而发生聚变的可能性也越大。而另一个关键就是等离子体的稳定，此前的装置就是败在等离子体还没来得及核聚变，就烟消云散，浪费电力了，而且不管怎样都做不到，就是做不到。
那么华盛顿大学是如何做到的呢？简单来说，就是把电流改成脉冲式的，让等离子体分成不同流速的层，通过控制脉冲电流的强度和持续时间，来调节等离子体内部的流速剪切，从而让其变得更稳定，直到核聚变的发生。
这有点像河流上的水闸，通过控制闸门开关的间隔和持续时间，可以精确控制河水的平稳流动。不过这个比喻不足以说明问题，因为等离子体剪切流非常复杂，具体的可以看我文章后面附的论文。
总之就是，通过这种方式，Zap能源似乎把z箍缩救活了，可能会率先实现可控核聚变。因为根据他们目前模拟的结果，他们的z箍缩装置将可能在65万安培的电流下，实现Q=1的核聚变。
而目前他们已实现了50万安培的稳定电流，达到了约1100万度到3700万度的高温，是目前所有超过3000万度高温中最小、最简单、成本最低的核聚变试验装置。他们正在建造的下一代装置FuZE-Q，预计能量将是这一代的10倍，可以实现100万安培的电流，等离子体也将达到更高的温度和密度。
最关键的是，这种装置不需要超导磁体，也不需要激光器，和托卡马克等装置比起来，可以说简单得像玩具，规模也小得多，可以非常快速地迭代，成本可以便宜几个数量级，所以他们预计有可能很快实现，并已开始在设计建造核聚变电站了。
最最关键的是，这种核聚变装置一台只有3米宽，可以产生50兆瓦的电力，足以为一座小城市供电，一个发电厂就可以安装很多台，从而更有效地提高效率，降低成本。并且这种发电厂占地面积很小，没有污染排放，几乎可以建在任何地方。
不过说了那么多，还有那么多论文以及琳琅满目的实验设备和机器，但说一千道一万，最根本的Q值等于1我们还没有看到，而且这个65万安培电流就可能实现Q=1的核聚变，也只是Zap公司自己的研究模拟。z箍缩到底能不能实现核聚变，其实还是一个未知数，所以这究竟是不是一个重大突破，现在说起来可能还言之过早，人类的清洁能源梦想还要等多久，我们谨慎乐观就好。
这项研究发表在4月8日的《物理评论快报》上。
参考：
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/