12 月 15 日消息，美國能源部宣布，在加利福尼亞州的勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室（LLNL），研究人員首次在核聚變反應中產(chǎn)生“凈能量增益”，即聚變反應產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應的鐳射能量。
人類探索核聚變已經(jīng)有幾十年的歷史，但長期以來聚變反應總是無法實現(xiàn)凈能量增加，即消耗能量總是超過反應產(chǎn)生的能量。
因此，美國宣布首次實現(xiàn)聚變點火，旋即引發(fā)了科學界的轟動。有樂觀的議論認為，一勞永逸地解決能源問題已經(jīng)出現(xiàn)曙光，核聚變有望數(shù)十年或更長時間內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化，它將為人類帶來真正清潔、無限能量的能源。
美國激光核聚變成功點火，能否破解人類能源難題？
中國工程院院士杜祥琬接受鳳凰網(wǎng)采訪時表示，美國國家點火裝置實驗目的，不是給人類提供能源解決思路，而是核武器研究。
一、解決能源問題的曙光？
核聚變是模仿太陽的原理，使兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核，結(jié)合期間釋放出大量能量。與化石能源相比，核聚變反應不排放二氧化碳，與目前廣泛應用的核能（核裂變）相比，它既不會產(chǎn)生核廢料，輻射也極少，因此被稱為清潔能源的“圣杯”。
此前，美國國家點火設(shè)施已進行了多次核聚變實驗，最好的成績是產(chǎn)出和投入能量比為 70%，仍然是凈能量損失。這一次的不同之處在于，核聚變反應產(chǎn)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%，輸出能量大于輸入能源。
對此，美國能源部長詹妮弗?格蘭霍姆表示，美國首次成功在核聚變反應中實現(xiàn)凈能量增益是一項“里程碑式的成就”，這項成果預計將可能幫助人類在實現(xiàn)零碳排放能源的進程中邁出關(guān)鍵一步。
不過，相較于樂觀的美國專家們，中國工程院院士杜祥琬對這一實驗成果保持了更謹慎的看法。他在接受鳳凰網(wǎng)采訪時表示，美國國家點火裝置實現(xiàn)的凈能量增益，是科研上的進展，但離產(chǎn)生上百倍的高增益目標還差得很遠，更不說提變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。
他還指出，美國國家點火裝置實驗目的，不是給人類提供解決能源問題的思路，而是核武器研究。
據(jù)悉，美國國家點火裝置由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負責運行，它的主要任務是實現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應，并為美國核武器儲備的維護提供指導。
杜祥琬認為，LLNL 的核聚變增益屬于聚變物理范疇，不太可能為人類能源問題提供解決思路。他解釋道，人們真正用于能源的核聚變，是一種非爆炸性的可控的核聚變。
根據(jù)實驗分析，LLNL 核聚變反應釋放了大約 3.15MJ 的能量，比進入反應的能量多大約 54%，是之前 1.3MJ 記錄的兩倍多。不過，雖然聚變反應產(chǎn)生了超 3.15MJ 的能量，但 NIF 在此過程中消耗了高達 322MJ 的能量，大約是 3.15MJ 的 102 倍。
二、與美國相比，我國的“人造太陽”現(xiàn)在處于什么水平？
目前為止，人造太陽的途徑目前有兩個：一是磁約束核聚變，另一類就是此次成功點火的激光核聚變。
中國工程院院士杜祥琬向我們解釋了激光核聚變的原理。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）“國家點火裝置”的研究人員使用了 192 束激光，從兩端向一個圓柱體發(fā)射激光束將能量注入，而圓柱體中一個僅有半個氣槍 BB 彈大小的靶丸受到擠壓，球內(nèi)的氘氚聚變?nèi)剂媳弧包c燃”，產(chǎn)生出能量。
磁約束核聚變的具體應用為托卡馬克裝置，通電后托卡馬克內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將懸浮其中的等離子體加熱到一個較高溫度，最終引發(fā)核聚變。
杜祥琬指出，對于兩種技術(shù)路線，學界主流認識認為，托卡馬克裝置的磁約束核聚變實現(xiàn)商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術(shù)途徑。
目前，全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實驗堆（ITER），即采用了托卡馬克裝置。ITER 是全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，同時是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。
2006 年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目啟動協(xié)定。今年 11 月，中國負責的其中一個關(guān)鍵組成部分，增強熱負荷第一壁首件制造完工。
據(jù)介紹，中國核能發(fā)展實施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國磁約束核聚變技術(shù)的研究上已處于世界前列。
2021 年 12 月我國合肥東方超環(huán)實現(xiàn)了 1056 秒長脈沖高參數(shù)等離子體運行，是之前保持記錄的 2 倍還多；今年 10 月，中國新一代“人造太陽”HL-2M 等離子體電流突破 100 萬安培，創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄，標志著中國核聚變研發(fā)距離聚變點火邁進了重要一步。
三、人類距離用上核聚變能源有多遠？
無論是哪條技術(shù)路線，核聚變商業(yè)化廣泛應用，將人造太陽變成現(xiàn)實，都預計仍需要很長時間。
LLNL 主任基姆?布迪爾（Kim Budil）表示，實現(xiàn)核聚變商業(yè)化可能需要數(shù)十年，核聚變技術(shù)還需克服諸多障礙，包括實現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動程序系統(tǒng)等?！ 拔覀兊挠嬎惚砻?，激光系統(tǒng)有可能實現(xiàn)數(shù)百兆焦耳的產(chǎn)量，實現(xiàn)產(chǎn)量的目標是有途徑的?！钡覀儸F(xiàn)在離實現(xiàn)那個目標還很遠?！?/p>
杜祥琬表示，核聚變沒有原理性的障礙，但是技術(shù)比較困難。想要大規(guī)模使用聚變能，最大的挑戰(zhàn)是要有高密度高溫的條件，需要反應維持足夠長的時間，并且科學家們能夠大幅降低他們的成本?！拔覜]有聚變專家那么樂觀，但實現(xiàn)地球上造一顆人造太陽，本世紀是可以看到的?！?/p>
杜祥琬還指出，可控核聚變能夠多廣泛應用在人類的生活和工作中，取決于它多經(jīng)濟，現(xiàn)在全球科學家都還在努力探索。不過，可控核聚變獲取能源也只是人類探索清潔和可持續(xù)能源的出路之一，其他的可持續(xù)和清潔能源同樣可以研究和利用，如太陽能、風力、水力、地熱等能源。
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