北京時間12月13日晚間，美國能源部召開新聞發(fā)布會，宣布勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學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中實現(xiàn)凈能量增益(Net Energy Gain)，即可控核聚變反應產(chǎn)生的能量超過驅(qū)動反應發(fā)生的激光能量。
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據(jù)了解，該實驗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。國家點火裝置(NIF)的激光聚變設備在當?shù)貢r間2022年12月5日成功實現(xiàn)聚變點火，實驗所輸入的能量為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，相關發(fā)言人表示本次實驗主要展現(xiàn)了可控核聚變技術的可行性，而對于具體的商業(yè)化時間則尚未有定論。新京報貝殼財經(jīng)記者瀏覽多位專家意見獲知，此次實驗雖然取得了突破，但由于技術限制，目前獲得實驗所需的2.05兆焦耳輸入能量需要耗費超過400兆焦耳的巨大電能，因此目前該實驗裝置無法做到對外凈輸出能量，距離真正實現(xiàn)可控核聚變的商業(yè)化應用依然非常遙遠。
實現(xiàn)可控核聚變有何意義？
核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，并釋放出能量的過程。理論上，只要有幾克反應物，就有可能產(chǎn)生萬億焦耳級別的能量。
自然界中最容易實現(xiàn)的聚變反應是氫的同位素，即氘與氚的聚變。而氘在地球的海水中含量豐富，因此如果實現(xiàn)可控核聚變技術，人類將擁有取之不盡的清潔能源，這或許會從根本上改變當前人類社會的格局以及科技發(fā)展進程。
此次勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家進行可控核聚變實驗的具體操作方式為，在國家點火設施內(nèi)，研究人員向一個被稱為空腔的圓柱形目標發(fā)射192束激光，產(chǎn)生了X射線輻射，輻射使一個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。
該實驗室發(fā)文稱，此次實驗超過了聚變閾值，向目標提供了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)的最基礎科學基礎。但仍然需要許多先進的科學和技術發(fā)展才能實現(xiàn)為家庭和企業(yè)提供簡單、負擔得起的用電這一應用場景。
理論上，1升海水中的氘核聚變產(chǎn)生的能量相當于300升石油，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生廢物和溫室氣體，不會導致氣候變化。因此，可控核聚變技術也被認為有望提供近乎無限的清潔能源，是人類未來能源技術的“希望之星”。
不過，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室主任基姆·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。
“他們應該為通過這項工作而受到極大的贊揚?！敝ゼ痈绱髮W物理學教授、美國能源部研究中心阿貢國家實驗室前主任彼得·利特爾伍德說，“不過這一實驗結(jié)果并不完全意味著這項(可控核聚變)技術會更快到來，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，將1億攝氏度20秒的原紀錄延長了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，該實驗的確實現(xiàn)了凈能量增益。但要算上電能損耗等問題，此次實驗投入的總能量實際上達到了400兆焦耳以上，遠遠高于輸出3.15兆焦耳。
紐約大學新聞學教授、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?！?
瞻云認為，未來要實現(xiàn)慣性約束聚變發(fā)電，至少需要解決的技術還包括點火效率的進一步提升，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鍵的技術，但效率達到20%對現(xiàn)今人類猶如登天，“達到10%還是有希望的，但如果只有10%的話，就無法達成總正收益，無法去發(fā)電。”
在查爾斯·塞弗看來，此次實驗距離可控核聚變技術商業(yè)化應用的距離就好比從用實驗證明通過機翼的氣流可以產(chǎn)生一點升力到真正從地面起飛，“并沒有解決無數(shù)其他科學、技術和設計問題，而是一個象征性成就，當然，象征性的成就也值得慶祝?！?/p>
新京報貝殼財經(jīng)記者羅亦丹
（文章來源：新京報）
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