·美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在最近的一次聚變實(shí)驗(yàn)中獲得了凈能量增益，核聚變產(chǎn)生的能量超過了輸入的激光能量。這一成果將提高美國在不進(jìn)行核試驗(yàn)的情況下維持其核武器的能力，有朝一日也可能將激光核聚變作為零碳能源的來源。

·即便美國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益，也不意味著我們很快就能擁有廉價(jià)的核聚變能源，距離商用還很遠(yuǎn)。

一名技術(shù)人員在美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火裝置的前置放大器支持結(jié)構(gòu)內(nèi)。圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

(相關(guān)資料圖)

美國東部時(shí)間12月13日10時(shí)，美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆（Jennifer Granholm）和負(fù)責(zé)核安全的副部長吉爾·赫魯比（Jill Hruby）將宣布“一項(xiàng)重大科學(xué)突破”。

出席這場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)的包括美政府多個(gè)機(jī)構(gòu)官員，包括白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室主任阿拉蒂·普拉布哈卡（Arati Prabhakar），以及美國國家核安全管理局和勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）的官員。

英國《金融時(shí)報(bào)》12月12日?qǐng)?bào)道稱，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在核聚變能源領(lǐng)域取得突破，首次實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的凈能量增益——從核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量比其消耗的能量更多，這朝無限的零碳能源目標(biāo)邁出關(guān)鍵一步，未來或?qū)碡S富的能源來源。

美科學(xué)家在核聚變能源領(lǐng)域取得突破

《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道稱，位于加州的聯(lián)邦勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在過去兩周的一次聚變實(shí)驗(yàn)中獲得了凈能量增益，核聚變產(chǎn)生的能量超過了輸入的激光能量。

該實(shí)驗(yàn)室采用了慣性約束聚變方法，即用世界上最大的激光撞擊一個(gè)微小的氫等離子體顆粒。美國國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了約2.5兆焦耳的能量，約為激光器2.1兆焦耳能量的120%，相關(guān)數(shù)據(jù)仍在分析中。

兩名知情人士表示，能量產(chǎn)出超出了預(yù)期，這損壞了一些診斷設(shè)備，使得分析工作變得復(fù)雜。知情人士還表示，科學(xué)家們已經(jīng)在廣泛討論這一突破。

另據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》12日?qǐng)?bào)道，一位不愿透露姓名的政府官員說，NIF的聚變實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火，也就是產(chǎn)生的聚變能量大于啟動(dòng)反應(yīng)的激光能量。點(diǎn)火也稱為能量增益。一位熟悉結(jié)果的科學(xué)家也證實(shí)，NIF已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火。報(bào)道稱，這種發(fā)展將提高美國在不進(jìn)行核試驗(yàn)的情況下維持其核武器的能力，有朝一日也可能將激光核聚變作為零碳能源的來源。

長期以來一直批評(píng)NIF的退休等離子體物理學(xué)家斯蒂芬·博德納（Stephen Bodner）表示，一位科學(xué)家朋友給他發(fā)信息說，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了凈能量增益，將在周二宣布結(jié)果，“他們實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)，值得表揚(yáng)?！?/p>

受控核聚變示意圖。圖片來源：FT

什么是核聚變？

核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。

核聚變是將兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)很輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。兩個(gè)較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量，兩個(gè)輕核在發(fā)生聚變時(shí)因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個(gè)能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當(dāng)緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發(fā)生核反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)叫做核聚變。

太陽和許多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)千萬攝氏度以上，每時(shí)每刻都在發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)。太陽每秒放出的能量約為3.9×10^26焦耳，雖然到達(dá)地球表面的僅為太陽每秒釋放能量的10億分之一，但這也是巨大的能量，正是這個(gè)能量，才使得地球上的一切生命活動(dòng)成為可能。

核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，核聚變能由于其燃料來自海水、效率是化石能源的千萬倍、沒有長期的核廢料、沒有碳排放等特點(diǎn)，因此被視為未來社會(huì)的“終極能源”。如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)的困擾。

可控核聚變所需要的原料是氫元素中的兩個(gè)同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲(chǔ)量非常豐富的鋰生成。一立方公里海水所含的氘經(jīng)過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量就相當(dāng)于地球上所有石油儲(chǔ)備產(chǎn)生的總能量。

但人類若想要在地球上成功實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，從而獲得巨大能量，就必須創(chuàng)造三個(gè)必要條件。一是極高的溫度，以使氘氚燃料成為超過1億攝氏度的熱等離子體；二是極高的密度，以使氘氚原子核發(fā)生量子隧穿的概率變大，而且便于將聚變產(chǎn)生的阿爾法粒子能量留下來繼續(xù)參與核聚變反應(yīng)；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時(shí)間。

到目前為止，人類對(duì)受控核聚變的研究主要分為兩類。一是磁約束核聚變，也就是用特殊形態(tài)的磁場(chǎng)把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體約束在有限的體積內(nèi)，使它受控制地發(fā)生大量的原子核聚變反應(yīng)，釋放出能量，典型的實(shí)驗(yàn)裝置如中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）。二是激光核聚變，這是以高功率激光作為驅(qū)動(dòng)器的慣性約束核聚變，典型實(shí)驗(yàn)裝置如我國的神光激光裝置和美國的國家點(diǎn)火裝置。

人類很快就能擁有廉價(jià)的核聚變能源嗎

耗資35億美元的美國國家點(diǎn)火裝置位于勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，最初是為了通過模擬爆炸來測(cè)試核武器，后用于推進(jìn)聚變能研究。支持者認(rèn)為，它可以推進(jìn)核聚變研究，從而可能建成商業(yè)電站。

占地面積有三個(gè)足球場(chǎng)大的NIF采用中心點(diǎn)火激光核聚變方案，由192個(gè)巨大的激光器組成，它們同時(shí)向一個(gè)金屬圓筒發(fā)射。圓筒被加熱到約282萬攝氏度，產(chǎn)生X射線內(nèi)爆，加熱并壓縮氘氚燃料，引發(fā)核聚變。

NIF從2010年開始正式的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。2014年，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家獲得成果，但當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的能量非常小，相當(dāng)于一個(gè)60瓦的燈泡在5分鐘內(nèi)消耗的能量。2021年NIF在一次聚變反應(yīng)中產(chǎn)生了1.37兆焦耳的能量，約為那次激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。

不過，據(jù)《自然》今年7月報(bào)道，美國科學(xué)家后來未能復(fù)制2021年創(chuàng)紀(jì)錄的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)嘗試的結(jié)果最多只能達(dá)到去年年底能量的50%。這凸顯了研究人員無法精確地理解、設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)這些能量下的實(shí)驗(yàn)。今年早些時(shí)候，研究人員改變了方向，開始重新考慮他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

當(dāng)核聚變輸出的能量和輸入的能量達(dá)到平衡點(diǎn)，下一步就是要朝輸出能量大于輸入能量百倍的里程碑目標(biāo)努力。當(dāng)聚變反應(yīng)的輸出能量大于輸入能量百倍時(shí)可以探索建立商用電站。

因此，即便美國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益，也不意味著我們很快就能擁有廉價(jià)的核聚變能源。據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，NIF的激光器效率非常低，一次實(shí)驗(yàn)只研究了一次激光爆發(fā)，而實(shí)際的核聚變發(fā)電廠需要機(jī)關(guān)槍一樣的激光爆發(fā)速度，每次爆發(fā)都有新的靶丸滑動(dòng)到位，然后從聚變反應(yīng)中飛出的中子流必須轉(zhuǎn)化為電能。NIF相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)那么大，對(duì)于商業(yè)發(fā)電廠來說太大、太貴、效率太低。

科技媒體The Verge評(píng)論稱，無論美國政府13日會(huì)宣布什么，“即使在最樂觀的情況下，核聚變的任何潛在現(xiàn)實(shí)世界利益都可能還有等待十多年?？雌饋砦覀?nèi)匀徊惶赡芗皶r(shí)依靠核聚變能源來使我們擺脫氣候危機(jī)。但這是很酷的科學(xué)，人們可以有夢(mèng)想?！?/p>

彭博社的文章則稱，從科學(xué)角度來看，這一進(jìn)展是令人振奮的。自20世紀(jì)50年代以來，研究人員一直在嘗試使核聚變發(fā)電發(fā)揮作用，到目前為止每一次努力都以失敗告終。雖然這個(gè)消息是一個(gè)了不起的科學(xué)突破，但在商業(yè)方面還未起步。

關(guān)鍵詞： 勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)