北京時(shí)間 12 月 14 日消息，美國(guó)能源部周二在發(fā)布會(huì)上證實(shí)，美國(guó)科學(xué)家首次在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。這一突破預(yù)示著，核聚變或許最終可以為化石燃料提供一種豐富的、零碳排放的替代品。
美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗?格蘭霍姆 (Jennifer Granholm) 周二在發(fā)布會(huì)上稱，“這是一項(xiàng)里程碑式的成就”。美國(guó)國(guó)家核安全局局長(zhǎng)吉爾?赫魯比 (Jill Hruby) 表示：“我們已經(jīng)向著一種可能徹底改變世界的清潔能源邁出了試探性的第一步。”
但是，這一突破究竟讓能源領(lǐng)域距離實(shí)現(xiàn)核聚變能源的夢(mèng)想更近了多少呢?
什么是核聚變？
核聚變是為太陽(yáng)提供能量的反應(yīng)。這一過(guò)程涉及將兩種氫同位素 —— 通常是氘和氚 —— 加熱到極端溫度，使原子核發(fā)生聚變，釋放出氦和以中子形式存在的大量能量。
與核裂變不同，這個(gè)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期存在的放射性廢物，也不排放碳。科學(xué)家估計(jì)，一小杯這種燃料可以為一所房子提供 800 多年的電力。核聚變技術(shù)的支持者將其描述為清潔能源的“圣杯”，是一種理論上可以提供近乎無(wú)限、零碳能源的技術(shù)。
不過(guò)，盡管前蘇聯(lián)科學(xué)家在 20 世紀(jì) 50 年代使用一種被稱為“磁約束”的技術(shù)開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)核聚變機(jī)器，但是在周二以前，還沒(méi)有一個(gè)研究小組能夠在核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生比所消耗能量更多的能量，這個(gè)過(guò)程被稱為科學(xué)能量增益或目標(biāo)增益，被視為該領(lǐng)域的科學(xué)里程碑。
美國(guó)做到了什么？
美國(guó)能源部下屬加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施 (NIF) 的科學(xué)家們首次在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了能量增益的目標(biāo)。
NIF 耗資 35 億美元，在 2009 年啟用，最初是為了通過(guò)模擬爆炸來(lái)測(cè)試核武器，隨后被用于推進(jìn)聚變能研究。
目前，磁約束仍然是研究最廣泛的核聚變方法，它使用巨大的磁鐵將氘-氚燃料固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，同時(shí)將其加熱到比太陽(yáng)更高的溫度。
但是，NIF 采用了一種被稱為“慣性約束”的不同技術(shù)。它使用 192 束激光燃燒一個(gè)微型燃料膠囊 (fuel capsule)。激光將燃料加熱到超過(guò) 300 萬(wàn)攝氏度，導(dǎo)致目標(biāo)膠囊的表面燃著并產(chǎn)生爆炸，造成了 NIF 描述的“類似火箭”的內(nèi)爆。這會(huì)壓縮并進(jìn)一步加熱燃料，直到氘和氚中的氫原子融合，釋放出氦和能量。
在 2022 年 12 月 5 日的核聚變實(shí)驗(yàn)中，NIF 向目標(biāo)輸入了 2.05 兆焦耳的能量，產(chǎn)生了 3.15 兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達(dá)到 153%，超出了媒體此前報(bào)道的 120% 能量增益的初步結(jié)果。
人類是否已經(jīng)攻克了核聚變能？
還沒(méi)有。幾十年來(lái)，實(shí)現(xiàn)能量增益一直被視為證明商業(yè)核聚變電站可行的關(guān)鍵一步。然而，它仍有幾個(gè)障礙需要克服。
首先，實(shí)驗(yàn)中到能量增益只是將產(chǎn)生的能量與激光器中的能量進(jìn)行比較，而不是與從電網(wǎng)中提取出為系統(tǒng)供電的總能量進(jìn)行比較。事實(shí)上，每次發(fā)射都需要 330 兆焦耳的電能，以 400 微秒的脈沖串形式傳送。
而且，NIF 為激光提供動(dòng)力的系統(tǒng)已經(jīng)很舊了，也不是為了最大的能源效率而設(shè)計(jì)的。然而，科學(xué)家們?nèi)匀还烙?jì)，商業(yè)核聚變將需要產(chǎn)生 30 到 100 倍輸入能量的聚變反應(yīng)。NIF 每天最多只能發(fā)射一次，而一個(gè)使用慣性約束聚變技術(shù)的發(fā)電廠可能需要一秒鐘完成幾次發(fā)射。
“這個(gè)實(shí)驗(yàn)清楚地證明了激光聚變的物理學(xué)是有效的，”等離子體物理學(xué)家羅比?斯科特 (Robbie Scott) 表示，他對(duì) NIF 的研究做出了貢獻(xiàn)，“下一步工作將包括展示更高的聚變能量增益，以及進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更有效的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆?！?/p>
和其他國(guó)家近期突破相比呢？
在 NIF 取得這一成就之前，過(guò)去 18 個(gè)月里，其他由公共資金資助的聚變實(shí)驗(yàn)室也宣布了重大成果，只是它們的研究目標(biāo)略有不同。
據(jù)新華社報(bào)道，2021 年 5 月 28 日凌晨，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) 創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運(yùn)行。這將此前創(chuàng)造的 1 億攝氏度 20 秒原紀(jì)錄延長(zhǎng)了 5 倍，意味著向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。EAST 也被稱為中國(guó)“人造太陽(yáng)”，是中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所自主研制的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。
去年 12 月，位于牛津的世界上最大、最強(qiáng)大的托卡馬克核反應(yīng)裝置)“歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)爐”(JET) 的研究人員在持續(xù) 5 秒的聚變反應(yīng)中產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的 59 兆焦耳能量。這足以燒開(kāi)大約 60 個(gè)水壺，比 JET 在 1997 年創(chuàng)造的 22 兆焦耳的能量輸出紀(jì)錄增加了一倍多。
專家指出，這兩種核聚變反應(yīng)都沒(méi)有像 NIF 那樣實(shí)現(xiàn)能量增益，但是它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也都沒(méi)有優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)能量增益。
加速行業(yè)研究
對(duì)于能源領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，它們希望這一突破將激發(fā)人們的興趣和投資，從而加快核聚變能的進(jìn)展。
從歷史上看，大多數(shù)核聚變科學(xué)都是由 NIF 和 JET 等公共資助的實(shí)驗(yàn)室完成的，但是近年來(lái)，投資也涌入了承諾在本世紀(jì) 30 年代提供核聚變能源的私營(yíng)公司。
等離子體物理學(xué)家梅勒妮?溫德里奇 (Melanie Windridge) 運(yùn)營(yíng)了一家聚變能咨詢公司 Fusion Energy Insights。她指出，耗資 35 億美元建造的 NIF 已有 13 年歷史，其基礎(chǔ)是上世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)的激光技術(shù)。
“如果你能在老舊的技術(shù)下做到這一點(diǎn)，這就表明了最新設(shè)備的可能性。如果他們得到私人支持，并且能夠按照這些激進(jìn)的時(shí)間表推進(jìn)，那么他們就可以使用尖端技術(shù)…… 這非常令人興奮。”溫德里奇表示。
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