核聚變時代到來？美國科學(xué)家圍繞核聚變再次取得突破性進(jìn)展

每經(jīng)編輯 杜宇

據(jù)金融時報8月7日消息，據(jù)三位了解初步結(jié)果的人士稱，位于加利福尼亞州的聯(lián)邦勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的研究人員去年首次實現(xiàn)了核聚變點火，他們在7月30日的實驗中再次實現(xiàn)了這一突破，產(chǎn)生了去年比12月更高的能量輸出。該實驗室證實，其激光設(shè)施再次實現(xiàn)了能量增益，并補充說，正在對結(jié)果進(jìn)行分析。

位于加利福尼亞州的聯(lián)邦勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室網(wǎng)站截圖

在核聚變反應(yīng)中獲得了凈能量增益，這一結(jié)果應(yīng)該使人們更加樂觀地認(rèn)為，在實現(xiàn)無限、零碳能源的夢想方面正在取得進(jìn)展。

自20世紀(jì)50年代以來，物理學(xué)家們一直試圖利用為太陽提供能量的核聚變反應(yīng)，但直到去年12月，還沒有任何研究小組能夠從該反應(yīng)中產(chǎn)生比其消耗更多的能量--這種情況也被稱為點火。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置 （圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室）

該實驗室補充說，自2022年12月在國家點火裝置上首次演示核聚變點火以來，我們一直在繼續(xù)進(jìn)行實驗，研究這一令人興奮的新科學(xué)機制。

據(jù)這個報道解釋，核聚變是將兩種氫同位素（通常是氘和氚）加熱到極高溫度，使原子核熔合，釋放出氦和以中子形式存在的大量能量。

為了產(chǎn)生聚變點火，國家點火設(shè)施的激光能量在霍爾raum內(nèi)轉(zhuǎn)換為X射線，然后壓縮燃料艙直到它內(nèi)爆，產(chǎn)生高溫，高壓等離子體。 （圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室）

盡管許多科學(xué)家認(rèn)為核聚變發(fā)電站還需要幾十年的時間，但該技術(shù)的潛力卻不容忽視。核聚變反應(yīng)不排碳，不產(chǎn)生長壽命的放射性廢物，理論上，一小杯氫燃料可以為一棟房子提供數(shù)百年的電力。

據(jù)國際原子能機構(gòu)的定義，核聚變反應(yīng)是模仿太陽的能量轉(zhuǎn)換過程，使較輕的原子核結(jié)合成較重的原子核。這一過程會釋放出巨大能量。理論上，幾克反應(yīng)物就可產(chǎn)生一太（即一萬億）焦耳的能量，而這大約是發(fā)達(dá)國家一個人在60年內(nèi)所需的能量。此外，核聚變反應(yīng)不會排放二氧化碳和核廢料。

據(jù)紅星新聞，2022年12月14日報道，三名知情人員透露，美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學(xué)家在使用激光的聚變實驗中首次實現(xiàn)了凈能量增益：聚變反應(yīng)后，得到的2.5兆焦耳能量比投入的2.1兆焦耳能量更多，新增約20%能量。該實驗室稱，“然而，確切的產(chǎn)量仍在確定中，在該過程完成之前發(fā)布信息是不準(zhǔn)確的。”

知情人士透露，研究人員使用了2.1兆焦能量的反應(yīng)物，釋放了2.5兆焦耳的能量。但實驗室稱，具體的輸出仍在計算中，雖然“超出預(yù)期”，但不一定超過2.1兆焦。兩名了解該實驗結(jié)果的消息人士稱，由于能量輸出高于預(yù)期，一些設(shè)備損壞，后續(xù)分析變得很復(fù)雜。如果確實超過2.1兆焦，這意味著人類首次在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)了凈能量增益。

倫敦帝國理工學(xué)院等離子體物理學(xué)教授杰里米-奇坦頓教授認(rèn)為，如果報道是真的，那就是一個真正的突破性時刻，“非常令人興奮。”

什么是核聚變？

據(jù)國際原子能組織機構(gòu)，核聚變是兩個輕原子核結(jié)合形成一個較重的原子核，同時釋放大量能量的過程。

聚變反應(yīng)發(fā)生在一種稱為等離子體的物質(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熱帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨特性質(zhì)。

太陽和所有其他恒星一樣，都是由這種反應(yīng)驅(qū)動的。為了在我們的陽光下融合，原子核需要在大約一千萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞。高溫為它們提供了足夠的能量來克服相互的電斥力。一旦原子核彼此非常接近，它們之間的吸引力核力將超過電排斥力并允許它們聚變。為此，原子核必須被限制在一個小空間內(nèi)，以增加碰撞的機會。在太陽中，其巨大引力產(chǎn)生的極端壓力為聚變創(chuàng)造了條件。

科學(xué)家為什么要研究聚變能？

自從核聚變理論在1930年代被理解以來，科學(xué)家——以及越來越多的工程師——一直在尋求重建和利用它。這是因為如果核聚變能夠以工業(yè)規(guī)模在地球上復(fù)制，它可以提供幾乎無限的清潔，安全和負(fù)擔(dān)得起的能源來滿足世界的需求。

聚變每公斤燃料產(chǎn)生的能量是裂變（用于核電站）的四倍，比燃燒石油或煤炭多近四百萬倍。

大多數(shù)正在開發(fā)的聚變反應(yīng)堆概念將使用氘和氚的混合物-含有額外中子的氫原子。從理論上講，只需幾克這些反應(yīng)物，就可以產(chǎn)生太焦耳的能量，這大約是發(fā)達(dá)國家一個人六十年所需的能量。

圖片來源：IAEA（國際原子能組織機構(gòu)）

聚變?nèi)剂县S富且易于獲得：氘可以從海水中廉價提取，氚可能由聚變產(chǎn)生的中子與天然豐富的鋰反應(yīng)產(chǎn)生。這些燃料供應(yīng)將持續(xù)數(shù)百萬年。未來的聚變反應(yīng)堆也是本質(zhì)安全的，預(yù)計不會產(chǎn)生高活性或長壽命的核廢料。此外，由于聚變過程難以啟動和維護(hù)，因此不存在反應(yīng)失控和熔化的風(fēng)險;聚變只能在嚴(yán)格的操作條件下發(fā)生，在嚴(yán)格的操作條件下（例如，在事故或系統(tǒng)故障的情況下），等離子體將自然終止，非常迅速地失去能量并在對反應(yīng)堆造成任何持續(xù)損壞之前熄滅。

重要的是，核聚變-就像裂變一樣-不會向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體，因此從本世紀(jì)下半葉開始，它可能是低碳電力的長期來源。

核聚變和等離子體物理研究在50多個國家進(jìn)行，聚變反應(yīng)在許多實驗中已經(jīng)成功產(chǎn)生，盡管到目前為止沒有產(chǎn)生超過啟動反應(yīng)過程所需的能量。專家們提出了不同的設(shè)計和基于磁鐵的聚變機器，如仿星器和托卡馬克，但也包括依賴激光、線性設(shè)備和先進(jìn)燃料的方法。

圖片來源：IAEA（國際原子能組織機構(gòu)）

成功推出聚變能源需要多長時間，將取決于通過全球伙伴關(guān)系和協(xié)作調(diào)動資源，以及該行業(yè)開發(fā)、驗證和鑒定新興聚變技術(shù)的速度。另一個重要問題是并行發(fā)展必要的核基礎(chǔ)設(shè)施，例如與實現(xiàn)這一未來能源相關(guān)的要求、標(biāo)準(zhǔn)和良好實踐。

世界上最大的國際聚變設(shè)施ITER在法國的組裝于2020年開始。ITER是一個國際項目，旨在證明聚變能生產(chǎn)的科學(xué)和技術(shù)可行性，并為未來的發(fā)電示范聚變發(fā)電廠（稱為DEMOs）證明技術(shù)和概念。ITER將在本十年的下半葉開始進(jìn)行首次實驗，全功率實驗計劃于2036年開始。

不同國家的DEMO時間表各不相同，但專家們的共識是，到2050年，一座發(fā)電聚變發(fā)電廠可以建成并投入運營。與此同時，許多私營商業(yè)企業(yè)也在開發(fā)聚變發(fā)電廠的概念方面取得了長足的進(jìn)步，利用多年來公共資助的研發(fā)所產(chǎn)生的專有技術(shù)，并更快地提出聚變發(fā)電。

每日經(jīng)濟(jì)新聞綜合金融時報、紅星新聞、美國聯(lián)邦勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室、國際原子能組織機構(gòu)

封面圖片來源：：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室