北京時(shí)間12月13日晚間，美國能源部召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家在可控核聚變研究方面取得了“里程碑式”突破，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)凈能量增益(Net Energy Gain)，即可控核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過驅(qū)動(dòng)反應(yīng)發(fā)生的激光能量。
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據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)室采用了一種名為慣性約束聚變的方法，簡單來說是使用激光照射引發(fā)核聚變。國家點(diǎn)火裝置(NIF)的激光聚變?cè)O(shè)備在當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年12月5日成功實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，實(shí)驗(yàn)所輸入的能量為2.05兆焦耳，輸出的能量則為3.15兆焦耳，超過輸入能量的50%。
不過，在被問及距離可控核聚變商業(yè)化還有多久時(shí)，相關(guān)發(fā)言人表示本次實(shí)驗(yàn)主要展現(xiàn)了可控核聚變技術(shù)的可行性，而對(duì)于具體的商業(yè)化時(shí)間則尚未有定論。新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者瀏覽多位專家意見獲知，此次實(shí)驗(yàn)雖然取得了突破，但由于技術(shù)限制，目前獲得實(shí)驗(yàn)所需的2.05兆焦耳輸入能量需要耗費(fèi)超過400兆焦耳的巨大電能，因此目前該實(shí)驗(yàn)裝置無法做到對(duì)外凈輸出能量，距離真正實(shí)現(xiàn)可控核聚變的商業(yè)化應(yīng)用依然非常遙遠(yuǎn)。
實(shí)現(xiàn)可控核聚變有何意義？
核聚變是兩個(gè)較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的原子核，并釋放出能量的過程。理論上，只要有幾克反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生萬億焦耳級(jí)別的能量。
自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素，即氘與氚的聚變。而氘在地球的海水中含量豐富，因此如果實(shí)現(xiàn)可控核聚變技術(shù)，人類將擁有取之不盡的清潔能源，這或許會(huì)從根本上改變當(dāng)前人類社會(huì)的格局以及科技發(fā)展進(jìn)程。
此次勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家進(jìn)行可控核聚變實(shí)驗(yàn)的具體操作方式為，在國家點(diǎn)火設(shè)施內(nèi)，研究人員向一個(gè)被稱為空腔的圓柱形目標(biāo)發(fā)射192束激光，產(chǎn)生了X射線輻射，輻射使一個(gè)裝有氫的兩種同位素氘和氚的微小金剛石膠囊發(fā)生內(nèi)爆，最終釋放出能量。
該實(shí)驗(yàn)室發(fā)文稱，此次實(shí)驗(yàn)超過了聚變閾值，向目標(biāo)提供了2.05兆焦耳(MJ)的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能輸出，首次證明了慣性聚變能(IFE)的最基礎(chǔ)科學(xué)基礎(chǔ)。但仍然需要許多先進(jìn)的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)為家庭和企業(yè)提供簡單、負(fù)擔(dān)得起的用電這一應(yīng)用場景。
理論上，1升海水中的氘核聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升石油，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生廢物和溫室氣體，不會(huì)導(dǎo)致氣候變化。因此，可控核聚變技術(shù)也被認(rèn)為有望提供近乎無限的清潔能源，是人類未來能源技術(shù)的“希望之星”。
不過，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任基姆·布迪爾(Kim Budil)表示，實(shí)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(shí)現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點(diǎn)火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)等。
“他們應(yīng)該為通過這項(xiàng)工作而受到極大的贊揚(yáng)。”芝加哥大學(xué)物理學(xué)教授、美國能源部研究中心阿貢國家實(shí)驗(yàn)室前主任彼得·利特爾伍德說，“不過這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全意味著這項(xiàng)(可控核聚變)技術(shù)會(huì)更快到來，而更多是顯示‘我們終于到了這里?！?
值得注意的是，目前人類對(duì)可控核聚變的研究主要分慣性約束和磁約束兩類，此次取得突破的屬于慣性約束類。而磁約束核聚變此前也取得了驚人的進(jìn)展。位于安徽合肥中科院等離子體所的東方超環(huán)(EAST)核聚變裝置就是一種托卡馬克磁約束裝置。2021年5月28日，中國的“人造太陽”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，將1億攝氏度20秒的原紀(jì)錄延長了5倍。
400兆焦耳生成3.15兆焦耳？ “凈能量增益”掩蓋了電能光能轉(zhuǎn)換效率低下等問題
需要注意的是，雖然從2.05兆焦耳到3.15兆焦耳的結(jié)果看，該實(shí)驗(yàn)的確實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。但要算上電能損耗等問題，此次實(shí)驗(yàn)投入的總能量實(shí)際上達(dá)到了400兆焦耳以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸出3.15兆焦耳。
紐約大學(xué)新聞學(xué)教授、科普作家查爾斯·塞弗(Charles Seife)在大西洋雜志上發(fā)布文章指出，“輸出的能量多于激光能量輸入”方程掩蓋了幾個(gè)基本問題，“NIF的激光器的效率約為0.5%，這意味著它們將從電網(wǎng)吸收大約400兆焦耳的能量，以產(chǎn)生2.1兆焦耳的光能，最終產(chǎn)生2.5兆焦耳(此為舊數(shù)據(jù))的聚變能?！?
知乎2021新知答主，科普人瞻云發(fā)文稱，此次發(fā)現(xiàn)意味著慣性約束聚變發(fā)電，人類邁出了一大步，“但前方最少還有1000步，也可能是無限步?！?
瞻云認(rèn)為，未來要實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變發(fā)電，至少需要解決的技術(shù)還包括點(diǎn)火效率的進(jìn)一步提升，激光器效率的飛躍式提升，裝置打靶效率問題等。其中激光器效率提升是最關(guān)鍵的技術(shù)，但效率達(dá)到20%對(duì)現(xiàn)今人類猶如登天，“達(dá)到10%還是有希望的，但如果只有10%的話，就無法達(dá)成總正收益，無法去發(fā)電。”
在查爾斯·塞弗看來，此次實(shí)驗(yàn)距離可控核聚變技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的距離就好比從用實(shí)驗(yàn)證明通過機(jī)翼的氣流可以產(chǎn)生一點(diǎn)升力到真正從地面起飛，“并沒有解決無數(shù)其他科學(xué)、技術(shù)和設(shè)計(jì)問題，而是一個(gè)象征性成就，當(dāng)然，象征性的成就也值得慶祝?！?/p>
新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者羅亦丹
（文章來源：新京報(bào)）
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