北京時間 12 月 14 日消息，美國能源部周二在發(fā)布會上證實，美國科學家首次在核聚變反應中實現(xiàn)了凈能量增益。這一突破預示著，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。
美國能源部長詹妮弗?格蘭霍姆 (Jennifer Granholm) 周二在發(fā)布會上稱，“這是一項里程碑式的成就”。美國國家核安全局局長吉爾?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?！?/span>
但是，這一突破究竟讓能源領域距離實現(xiàn)核聚變能源的夢想更近了多少呢?
什么是核聚變？
核聚變是為太陽提供能量的反應。這一過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，這個過程不會產(chǎn)生長期存在的放射性廢物，也不排放碳?？茖W家估計，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限、零碳能源的技術。
不過，盡管前蘇聯(lián)科學家在 20 世紀 50 年代使用一種被稱為“磁約束”的技術開發(fā)了第一臺核聚變機器，但是在周二以前，還沒有一個研究小組能夠在核聚變反應中產(chǎn)生比所消耗能量更多的能量，這個過程被稱為科學能量增益或目標增益，被視為該領域的科學里程碑。
美國做到了什么？
美國能源部下屬加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的國家點火設施 (NIF) 的科學家們首次在核聚變反應中實現(xiàn)了能量增益的目標。
NIF 耗資 35 億美元，在 2009 年啟用，最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，隨后被用于推進聚變能研究。
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?shù)奈恢?，同時將其加熱到比太陽更高的溫度。
但是，NIF 采用了一種被稱為“慣性約束”的不同技術。它使用 192 束激光燃燒一個微型燃料膠囊 (fuel capsule)。激光將燃料加熱到超過 300 萬攝氏度，導致目標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。這會壓縮并進一步加熱燃料，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 日的核聚變實驗中，NIF 向目標輸入了 2.05 兆焦耳的能量，產(chǎn)生了 3.15 兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達到 153%，超出了媒體此前報道的 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？
還沒有。幾十年來，實現(xiàn)能量增益一直被視為證明商業(yè)核聚變電站可行的關鍵一步。然而，它仍有幾個障礙需要克服。
首先，實驗中到能量增益只是將產(chǎn)生的能量與激光器中的能量進行比較，而不是與從電網(wǎng)中提取出為系統(tǒng)供電的總能量進行比較。事實上，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計的。然而，科學家們?nèi)匀还烙嫞虡I(yè)核聚變將需要產(chǎn)生 30 到 100 倍輸入能量的聚變反應。NIF 每天最多只能發(fā)射一次，而一個使用慣性約束聚變技術的發(fā)電廠可能需要一秒鐘完成幾次發(fā)射。
“這個實驗清楚地證明了激光聚變的物理學是有效的，”等離子體物理學家羅比?斯科特 (Robbie Scott) 表示，他對 NIF 的研究做出了貢獻，“下一步工作將包括展示更高的聚變能量增益，以及進一步開發(fā)更有效的方法來驅(qū)動內(nèi)爆?！?/p>
和其他國家近期突破相比呢？
在 NIF 取得這一成就之前，過去 18 個月里，其他由公共資金資助的聚變實驗室也宣布了重大成果，只是它們的研究目標略有不同。
據(jù)新華社報道，2021 年 5 月 28 日凌晨，中科院合肥物質(zhì)科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置 (EAST) 創(chuàng)造了新的世界紀錄，成功實現(xiàn)可重復的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運行。這將此前創(chuàng)造的 1 億攝氏度 20 秒原紀錄延長了 5 倍，意味著向核聚變能源應用邁出重要一步。EAST 也被稱為中國“人造太陽”，是中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所自主研制的磁約束核聚變實驗裝置。
去年 12 月，位于牛津的世界上最大、最強大的托卡馬克核反應裝置)“歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應爐”(JET) 的研究人員在持續(xù) 5 秒的聚變反應中產(chǎn)生了創(chuàng)紀錄的 59 兆焦耳能量。這足以燒開大約 60 個水壺，比 JET 在 1997 年創(chuàng)造的 22 兆焦耳的能量輸出紀錄增加了一倍多。
專家指出，這兩種核聚變反應都沒有像 NIF 那樣實現(xiàn)能量增益，但是它們在實驗中也都沒有優(yōu)先考慮實現(xiàn)能量增益。
加速行業(yè)研究
對于能源領域來說，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展。
從歷史上看，大多數(shù)核聚變科學都是由 NIF 和 JET 等公共資助的實驗室完成的，但是近年來，投資也涌入了承諾在本世紀 30 年代提供核聚變能源的私營公司。
等離子體物理學家梅勒妮?溫德里奇 (Melanie Windridge) 運營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，其基礎是上世紀 80 年代開發(fā)的激光技術。
“如果你能在老舊的技術下做到這一點，這就表明了最新設備的可能性。如果他們得到私人支持，并且能夠按照這些激進的時間表推進，那么他們就可以使用尖端技術…… 這非常令人興奮?！睖氐吕锲姹硎?。
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