今晚，見證歷史！人類或首次實現(xiàn)，可控核聚變「重大科學(xué)突破」

爆炸性消息！史上首次，人類實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益。

凈功率增益，即產(chǎn)生的聚變功率與用于加熱等離子體的功率之比率。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），從一個實驗性核聚變反應(yīng)堆中，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于了這一過程中消耗的能量。

這就意味著，人類朝人造太陽的目標(biāo)，又近了一步。

而化石燃料和傳統(tǒng)核能，或?qū)⑼顺鰵v史的舞臺！

核聚變反應(yīng)凈能量增益，意味著什么

「核聚變」究竟是什么呢？

簡單地說，就是兩個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核，并釋放出巨大能量的過程。

我們都知道，萬物生長靠太陽，太陽是地球上一切生命的源泉，那太陽的能量來自于哪里呢？

就是核聚變。

在這個熱核反應(yīng)中，兩個氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質(zhì)量比原來的氫原子略小。

因此，根據(jù)愛因斯坦標(biāo)志性的 E=mc2 質(zhì)能方程，這個質(zhì)量差會轉(zhuǎn)化為能量爆發(fā)出來。

在太陽的核心，每秒都在發(fā)生 6.2 億噸氫的核聚變

這種能量，使我們?nèi)祟惖靡陨妗?/p>

理論上，只要有幾克氘（重氫）和氚（超重氫）的混合反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生一太（萬億）焦耳的能量，這大約是發(fā)達(dá)國家的一個人 60 年內(nèi)所需的能量。

既然核聚變能產(chǎn)生如此大的能量，那我們?nèi)祟惸懿荒茏约?DIY 這個過程，造出個「人造太陽」？

沒錯，科學(xué)家們早就開始這么想了。

自從人類開啟了和平利用核能的研究，如何在可控的條件下利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，一直是人類的終極目標(biāo)（而目前的核電站，原理是核裂變反應(yīng)）。

但是，利用核聚變最大的難題之一是，核聚變過程本身也會消耗巨大的能量，該如何讓核聚變反應(yīng)釋放出的能量大于輸入的能量，而且讓這個過程可持續(xù)呢？

從上世紀(jì) 50 年代以來，無數(shù)的物理學(xué)家就一直希望從核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生比消耗更多的能量。

如果攻克了這個最大的難題，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。

也就是說，到了那時，就不再有煤和石油燃燒產(chǎn)生的溫室氣體，不再有危險、長效的放射性廢物 —— 人類將得到真正意義上的「清潔能源」！

而現(xiàn)在看起來，這個難題的第一步已經(jīng)被解決了。

據(jù)英國《金融時報》報道，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）從一個實驗性核聚變反應(yīng)堆中實現(xiàn)了「凈能量增益」，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于這一過程中消耗的能量。

據(jù)消息人士透露，這次反應(yīng)產(chǎn)生的能量是消耗能量的 120%，至少有兩名研究人員證實了這一消息。

一位資深核聚變科學(xué)家對《華盛頓郵報》表示：「對我們大多數(shù)人來說，這只是一個時間問題。」

此次核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了大約 2.5 兆焦耳的能量，大約是激光器中 2.1 兆焦耳能量的 120%，目前具體數(shù)據(jù)仍在進(jìn)一步分析中。

美國能源部和 LLNL 發(fā)言人均表示，目前無法評論《金融時報》的報道，不過美國能源部長 Jennifer Granholm 表示，將在今天晚些時候宣布一項「重大科學(xué)突破」。

核聚變專家亞瑟?特瑞爾（Arthur Turrell）博士表示，「如果這個結(jié)果得到最終證實，我們將見證一個歷史性的時刻?！?/p>

四次復(fù)現(xiàn)全部失敗，人類科技被智子鎖死？

其實，之前的科學(xué)家們，就曾見證過這一奇跡。

2021 年 8 月，LLNL 曾宣布了一項重大突破：破紀(jì)錄地產(chǎn)生了超過 10 萬億瓦的高能聚變能量 —— 雖然時長只有一秒不到。

裝置將最初的光子脈沖放大并分成 192 道紫外線激光束后，在不到 40 億分之一秒的時間內(nèi)以大約 1.9 兆焦耳的能量擊中目標(biāo)（裝著冷凍的氘和氚），創(chuàng)造出只有在恒星和熱核彈中才能見到的溫度和壓力。

面對如此強(qiáng)大的脈沖能量，原子核會因核聚變釋放出一連串的粒子，并由此產(chǎn)生更多的聚變和更多的粒子，從而形成持續(xù)的聚變反應(yīng)。

根據(jù)定義，當(dāng)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過其消耗的能量時，就能成功「點火」。

而在 8 月的試驗中，通過核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，已經(jīng)占到了輸入能量的 70%，可以說非常接近點火了。

然而，在接下來進(jìn)行的 4 次試驗中，都未能復(fù)現(xiàn)當(dāng)時的結(jié)果。

其中效果最好的一次，也只達(dá)到了 8 月份實驗所產(chǎn)生能量的 50%。

對此，研究人員分析認(rèn)為，由于目前正處于聚變「點火」的臨界點附近，所以不同實驗間微小、偶然的差異都會對結(jié)果造成巨大影響。

從重復(fù)實驗的失敗中不難看出，研究人員在很長一段時間內(nèi)，仍然無法精準(zhǔn)理解、操縱和預(yù)測這類高能實驗。

甚至知友「氯甲烷」調(diào)侃稱：「我覺得人類科技可能真的被智子鎖死了」。

復(fù)刻核聚變?yōu)楹稳绱酥y？

為什么人類想要復(fù)刻核聚變，會這么難呢？

這就要從核聚變反應(yīng)的條件說起。

核聚變反應(yīng)發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。

等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同于固體、液體和氣體的獨特性質(zhì)。

為了實現(xiàn)聚變，原子核需要在超過 1000 萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。

一旦原子核克服了這種排斥力，并進(jìn)入彼此非常接近的范圍，它們之間的核力吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。

要做到這一點，眾多原子核必須被約束在一個小空間內(nèi)，以增加碰撞的機(jī)會。

在太陽中，存在巨大的引力，而這種引力所產(chǎn)生的極端壓力，正為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

然而，太陽中有著能夠誘發(fā)核聚變的巨大引力，我們?nèi)祟悈s沒有這樣的自然條件。

在地球上，要想使氘和氚發(fā)生聚變，就需要超過 1 億攝氏度的溫度和強(qiáng)大的壓力，還需要充分的約束，才能使等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長的時間。

現(xiàn)在，我們?nèi)祟惖膶嶒炛幸呀?jīng)非常接近核聚變反應(yīng)堆所需的條件，但仍需改進(jìn)約束性能和等離子體的穩(wěn)定性。

來自 50 多個國家的科學(xué)家們，在不斷試驗新材料，設(shè)計新技術(shù)。

不過，就像我們在上文所看到的，許多實驗已實現(xiàn)聚變，但并未實現(xiàn)凈功率增益。

而這次突破，是否意味著我們就要用上純粹的清潔能源了呢？其實并沒有。

首先，即使單純從數(shù)據(jù)上看，120% 的能量凈增比例仍然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。據(jù)科學(xué)家估計，如果要將核聚變技術(shù)落地實用，能量輸出必須至少比進(jìn)入的激光器的能量高出幾倍才有可能。

而且，這次實驗中的 NIF 的激光器效率極低，也就是說，實驗中供給激光器的能量中，只有很小一部分實際進(jìn)入了激光束中，實際參與了激發(fā)核聚變的反應(yīng)中，大部分能量都被浪費掉了。

按照這種轉(zhuǎn)換效率，即使未來的激光器（比如固態(tài)激光器）能夠進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率，但距離 100% 的核聚變應(yīng)用，仍然是很遙遠(yuǎn)的事情。

但是至少，我們實現(xiàn)了從 0 到 1 的一步。

我國新一代「人造太陽」再次取得進(jìn)展

建人造太陽的，不止是美國的科學(xué)家。

早在 20 世紀(jì) 50 年代，我國也開始了可控核聚變的研究。

與 LLNL 采用的「慣性約束聚變」方法不同，迄今為止大多數(shù)核聚變研究都采用名為「托卡馬克」的圓環(huán)形反應(yīng)堆。

它的原理是：在反應(yīng)堆內(nèi)，將氫氣加熱到足夠高的溫度，讓電子從氫原子核中剝離，形成等離子體（帶正電的核和帶負(fù)電的電子云）。磁場將等離子體困在圓環(huán)形狀的裝置內(nèi)，將原子核融合在一起，以中子的形式釋放出能量向外飛去。

2020 年 12 月 4 日，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計、建造的新一代「人造太陽」建成并實現(xiàn)了首次放電。

2022 年 10 月，相關(guān)研究再次取得重大進(jìn)展 ——HL-2M 等離子體電流突破 100 萬安培（1 兆安）。

這不僅創(chuàng)造了我國可控核聚變裝置運行新紀(jì)錄，也標(biāo)志著我國核聚變研發(fā)距離聚變點火邁進(jìn)了重要一步。

HL-2M 是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置。

其核心參數(shù)是等離子體電流強(qiáng)度，而等離子體電流達(dá)到 100 萬安培（1 兆安）是其實現(xiàn)聚變能源的必要條件，未來托卡馬克聚變堆必須在兆安級電流下穩(wěn)定運行。

此次突破意味著該裝置未來可以在超過 1 兆安培的等離子體電流下常規(guī)運行，這對我國自主設(shè)計運行聚變堆具有重要意義。

總結(jié)一下

據(jù)悉，對于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的這次實驗的重大公告，美國能源部預(yù)計將在美國太平洋時間周二上午 7 點，也就是北京時間的今晚 23 點左右進(jìn)行直播。

人類歷史會被永遠(yuǎn)改變嗎？晚上見分曉！

參考資料：

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

• https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2022/12/12/nuclear-fusion-breakthrough-benefits/

• https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1

• https://www.163.com/dy/article/HF5BLDSD0511F2M4.html

本文來自微信公眾號：新智元 （ID：AI_era），作者：新智元編輯部

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