首次產(chǎn)生凈能量增益！美國宣布首次實(shí)現(xiàn)“核聚變點(diǎn)火”，距離清潔、安全和廉價(jià)的能源還有多久？

每經(jīng)記者 李孟林    每經(jīng)編輯 王月龍 高涵    

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，美國能源部宣布，美國科研人員在研究核聚變能源方面取得重大突破。據(jù)路透社援引消息人士稱，位于加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科研人員在一次使用激光的核聚變實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。

自1958年科學(xué)家向世界公布核聚變研究以來，人類孜孜不倦地希望通過在地球上復(fù)制核聚變的過程，來獲得幾乎無限的清潔、安全和廉價(jià)的能源。而在此之前，科學(xué)家遲遲未能攻克第一道攔路虎：如何讓核聚變產(chǎn)出的能量大于觸發(fā)反應(yīng)所投入的能量。

因此，在美國能源部證實(shí)美國科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核聚變產(chǎn)出大于投入的“凈能量增益”后，立刻引發(fā)了科學(xué)界的轟動(dòng)。在世界正面臨化石能源導(dǎo)致的氣候危機(jī)之下，坊間更有樂觀的議論認(rèn)為，一勞永逸地解決能源問題已經(jīng)出現(xiàn)曙光。據(jù)美國能源部，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

科學(xué)家指出，此次實(shí)現(xiàn)的凈能量增益是數(shù)十年來最重要的科學(xué)成果之一，是對(duì)核聚變?cè)淼母拍铗?yàn)證，但人類離用上核聚變能還有很長的路要走，能量增益的規(guī)模還需要大幅提高才能考慮轉(zhuǎn)化為電力的事情。

英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker在采訪中對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)各國的能源轉(zhuǎn)型政策短期內(nèi)并無影響，核聚變并不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但可以在未來的清潔能源結(jié)構(gòu)中，扮演維持基本負(fù)載電力的重要角色。

核聚變技術(shù)的“歷史性突破”？

業(yè)內(nèi)人士：核心物理學(xué)原理已被攻克

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。據(jù)悉，實(shí)驗(yàn)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，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

“這是過去二三十年來最大的科學(xué)成果之一，” 貝爾法斯特女王大學(xué)研究激光和等離子物理學(xué)的Gianluca Sarri表示。

要理解這項(xiàng)成就的重要性，就得知道實(shí)現(xiàn)增益的難度。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)，核聚變是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過程，這一過程發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。在地球上，人類需要超過1億攝氏度的溫度和強(qiáng)大的壓力，才能促成氘（重氫）和氚（超重氫）的混合物發(fā)生核聚變，而且還需要將等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長的時(shí)間，才能獲得凈能量增益。

圖片來源：國際原子能機(jī)構(gòu)

LLNL實(shí)驗(yàn)室采用了一種名為慣性約束聚變的路徑。在發(fā)布會(huì)上，美國國家核安全局官員Marv Adams用簡(jiǎn)單的語言解釋了該實(shí)驗(yàn)室“國家點(diǎn)火設(shè)施”的實(shí)驗(yàn)過程：規(guī)模相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)的192個(gè)激光器組合，從兩端向一個(gè)圓柱體發(fā)射激光束，將能量注入，而圓柱體中一個(gè)僅有半個(gè)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(diǎn)燃”，產(chǎn)生出能量。整個(gè)聚變過程發(fā)生速度極快，比光運(yùn)動(dòng)一英尺（2.54厘米）的時(shí)間還快。

國家點(diǎn)火設(shè)施實(shí)驗(yàn)過程 圖片來源：美國能源部

國家點(diǎn)火設(shè)施此前已經(jīng)多次重復(fù)了這一過程，最好的成績(jī)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，聚變?nèi)剂系某邷?、能量密度和維持的時(shí)間都達(dá)到了臨界標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)成了點(diǎn)燃的效果，產(chǎn)生出了更多的能量。

“這一結(jié)果是慣性約束聚變作為發(fā)電技術(shù)的分水嶺時(shí)刻。長期以來，（激光沖擊的）目標(biāo)產(chǎn)生能量增益就是衡量成功的標(biāo)準(zhǔn)，它意味著核心的物理學(xué)原理已經(jīng)被攻克，”英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，“從這一結(jié)果到發(fā)電的物理學(xué)路徑是非常清楚的，而且風(fēng)險(xiǎn)大大降低了?！?/strong>

核聚變作為能源來源的優(yōu)點(diǎn)十分突出。首先是極大的能量密度。據(jù)國際原子機(jī)構(gòu)，核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變（目前使用的核電技術(shù)）的四倍，理論上，只需要幾克氘氚反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生一萬億焦耳的能量，這大約是發(fā)達(dá)國家的一個(gè)人在60年內(nèi)所需要的能量。其次，和核裂變一樣，核聚變不會(huì)向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體。

First Light Fusion的首席財(cái)務(wù)官David Byron對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，作為能源生產(chǎn)方式，核聚變擁有核裂變的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能避免后者的很多缺點(diǎn)。

“核聚變不會(huì)存在核反應(yīng)堆融毀的情況，從本質(zhì)上來說就很安全。簡(jiǎn)單來說，核裂變反應(yīng)堆的功能是控制能量釋放的速度，避免其失控；核聚變則相反，它需要?jiǎng)?chuàng)造聚變發(fā)生的條件，假如停止投入聚變?nèi)剂?，或者沒有合適的高溫條件，聚變反應(yīng)自己就停止了，”David Byron解釋道。

此外，核聚變過程中不會(huì)出現(xiàn)制造武器級(jí)別的材料。對(duì)于很多沒有核武器的國家而言，由于核裂變技術(shù)的出口管制，他們無法發(fā)展核能，但核聚變就不存在這個(gè)問題。核聚變也不會(huì)產(chǎn)生長時(shí)間的放射性核廢料，不需要花幾代人來清理?！耙虼撕司圩兗夹g(shù)有望幫助更多國家擺脫貧困，” David Byron補(bǔ)充道。