12月12日，有美英媒體報道，美國加州的科學家在此領域獲得“重要突破”，首次在核聚變反應中取得“能量凈增益”，即產生的能源大于消耗的能源。

 

英國《金融時報》和《華盛頓郵報》報道，加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)使用實驗性質的核聚變反應爐，達成了“能量凈增益”（Net Energy Gain）。這代表研究人員首次成功在核聚變反應中，產生的能源大于消耗的能源，可望朝追求零碳能源邁出重大一步。

 

美國能源部與LLNL發(fā)言人表示，無法對上述報道發(fā)表意見或加以證實，但能源部長格蘭霍姆將于今日（12月13日）“宣布重大科學突破”。

 

LLNL發(fā)言人還說，“分析還在進行當中，期待周二分析完成時，能分享更多信息”。

 

核聚變研究旨在模仿太陽制造能源的方式，復制核反應，該反應能產生大量能源，且核廢料半衰期極短，被喻為零碳排的能源“圣杯”。理論上，一小杯氫燃料就可為一間房子供電長達數百年。

 

科學家自1950年代起就開始研究核聚變，不過，即使在實驗室獲得突破，核聚變至少還要十年甚至數十年后才可能投入商用。

 

 

圖說：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

來源：Damien Jemison / theatlantic

 

 

該消息最早由《金融時報》引述三名知情人士報導，美國LLNL運用一種稱為慣性局限聚變的過程，過去兩周在一次核聚變實驗中達到凈能量增益。

 

這種過程包括借由當今全球最大的激光，持續(xù)照射一個微小的氫電漿球。該聚變反應產生了大約 2.5 兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%。整個實驗數據分析仍在進行中。

 

這次實驗在LLNL內耗資35億美元的“國家點火設施”（NIF）進行。NIF去年曾從一次核聚變反應制造出1.37兆焦耳，是當時照射激光能量的70%，是此前科學家最接近凈能量增益的一次。

 

知情人士說，這次實驗能源產出雖多于預期，卻造成部分判讀設備受損，使分析工作變復雜。

 

英國倫敦帝國學院學者特瑞爾（Arthur Turrell）博士指出，“如果獲證實，我們正見證歷史性時刻”。自20世紀50年代以來，科學家們一直在努力證明核聚變可以釋放比投入更多的能量，而LLNL的研究人員終于實現了這個數十年的目標。

 

該設施的反應堆是一個基于激光的慣性約束核聚變裝置，而不是大多數核聚變研究中正在使用的磁約束核聚變裝置。

 

 

要了解核聚變，首先需要了解核能（又稱“原子能”），這是一種通過核反應從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦的質能方程E=mc² ，其中E=能量，m=質量，c=光速。

 

核能可通過三種核反應之一釋放：

 

1.核裂變，較重的原子核分裂釋放結合能。

 

2.核聚變，較輕的原子核聚合在一起釋放結合能。

 

3.核衰變，原子核自發(fā)衰變過程中釋放能量。

 

目前世界上大多數核電站，都是通過核裂變來獲得能量。核裂變是從原子核分裂中獲得能量，例如鈾會分裂成兩個較細的原子核和放出能量。核裂變可以是自發(fā)或誘發(fā)的，所以巨大的原子核普遍是 不穩(wěn)定的，它們有可能會自發(fā)分裂。

 

原子核受其他粒子的撞擊也會發(fā)生裂變，例如鈾受中子撞擊會實時分裂。

 

而核聚變則是通過將原子核結合而釋放能量。這個過程是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。

 

兩個較輕的核在融合過程中產生質量耗損并釋放出巨大的能量。舉個例：兩個質量小的原子，比方說兩個氘原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會發(fā)生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴隨著巨大的能量釋放。

 

太陽發(fā)出的光和熱就是由氫核聚變反應 (變成氦) 所產生的。所以也有人把核聚變稱作“人造太陽”。

 

啟動和維持聚變反應所需的條件比較苛刻——需要超過1億攝氏度的溫度，以達到發(fā)生反應所需足夠高的粒子密度。由于聚變反應只能在這種極端條件下發(fā)生，因此不可能出現“失控”鏈式反應。

 

此外，核聚變不產生高放射性、長壽命的核廢物。所以一般而言，核聚變比核裂變要安全。

 

在過去的幾十年里，熱核聚變研究形成了兩大分支，一是磁約束聚變，主攻方向是托卡馬克裝置（比如中國的東方超環(huán) (EAST) 和國際熱核聚變實驗堆(ITER)），另外還有仿星器，反向場箍縮及磁鏡等裝置。另一平行研究分支是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，這次美國LLNL使用的就是激光聚變。另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。

 

圖說：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室技術人員在檢查前置放大器支撐結構內的光學器件

來源：APnews

 

核聚變能提供無碳電力，有助于應對氣候變化，確實給人類清潔能源提供了非常具有想象力的未來。包括比爾 · 蓋茨、杰夫 · 貝佐斯、約翰 · 杜爾和谷歌等在內的商業(yè)大佬和知名企業(yè)，都向核聚變公司投入了大量資金。根據聚變工業(yè)協(xié)會的數據，私營企業(yè)去年就獲得了超過 28 億美元的融資，近年來總共獲得了約 50 億美元融資。

 

這一次，面對加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的新突破，科學家和能源行業(yè)專家似乎普遍感到興奮，但許多人也強調，這并不意味著我們很快就會建造核聚變發(fā)電廠，或者讓核聚變電能為我們的飛行汽車提供動力。

 

倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任 Jeremy Chittenden 評價說：“盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但跟為電網供電和為建筑物供暖所需的能量相比，它的規(guī)模要小得多。這只相當于燒開10壺水。為了把它變成一個發(fā)電站，我們需要獲得更多的能源。”

 

正如《華盛頓郵報》在關于該實驗的報道中指出的那樣，未來的科學和工程障礙仍然巨大：

 

要獲得凈能量，需要使用世界上最大的激光器之一，并且需要巨大的資源來重建反應，使聚變適用于能源生產所需的規(guī)模。

 

更重要的是，工程師們還沒有開發(fā)出能夠以負擔得起的價格將這種反應轉化為電力的機械，這些電力實際上可以部署到電網中。

 

科學家說，建造足夠大的設備來產生大規(guī)模的聚變電力，將需要非常困難的材料來生產。與此同時，該反應會產生中子，給制造該反應的設備帶來巨大的壓力，這種壓力可能會把設備摧毀。

 

效率和凈能量收益也是一個問題。

 

要使反應堆普遍有用，它必須產生比最初投入激光的能量更多的能量。從電力產生激光的效率非常低下。據估計，如果激光輸出2.1兆焦耳的能量，那么美國這套“國家點火設施”（NIF）將不得不從電網中獲得數十兆焦耳的能量才能實現這一目標。

 

即使反應堆能夠抵消激光所需的真實能量，它也只能實現收支平衡。為了使核聚變成為現有能源的可行替代品，我們必須能夠提取大量的凈能源。

 

彭博社引述專家解釋說，在這種系統(tǒng)中，由于廢熱和噪音而損失的能量，意味著它們的熱效率通常低于50%。

 

簡而言之，這一突破絕對意義重大，值得興奮，但距離提供有用、豐富、清潔的能源還有很長的路要走，商業(yè)化的聚變能源生產還需要幾十年的時間，不應被視為很快就能解決世界能源或氣候變化問題的靈丹妙藥。

 

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參考資料：

 

[1]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7

 

[2]https://www.theatlantic.com/technology/archive/2022/12/department-of-energy-nuclear-fusion-breakthrough-nif-livermore/672439/

 

[3]https://www.photonics.com/Articles/LLNLs_Nuclear_Fusion_Breakthrough_Offers_Step_to/a68579

 

[4]https://nymag.com/intelligencer/2022/12/how-big-is-the-u-s-fusion-breakthrough.html

 

[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752074632294928013&wfr=spider&for=pc

 

[6]https://www.sciencemediacentre.org/expert-reaction-to-fusion-announcement-from-the-lawrence-livermore-national-laboratory/

 

[7]https://new.qq.com/rain/a/20221213A03H1300

 

注：首圖來源于Laser Indirect Drive input to NNSA 2020 Report