可控核聚变点火成功！35亿美元烧开20壶水，人类摘下清洁能源「圣杯」

新智元报道

编辑：编辑部

【新智元导读】昨晚，发布会正式召开，LLNL实验室可控核聚变点火成功，人造太阳指日可待了？

在12月13日晚的新闻发布会上，美国能源部部长和LLNL的科学家们共同宣布了这项有关「无限清洁能源」的重大科学突破！

有史以来第一次，人类实现了核聚变反应的净能量增益，也就是说，让核聚变反应产生的能量多于了这一过程中消耗的能量——核聚变点火。而这也让惯性聚变能（IFE）的科学基础首次得到了证实。

据官方介绍，LLNL在向目标提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出，能量增益约为1.5。

对此，美国能源部长Jennifer M. Granholm表示：「这是一个历史性的时刻，自此以后，游戏规则将会被永远改变。」

当然，被改变的不只有清洁能源的未来，更有美国的军事力量。

拜登政府表示，NIF这一里程碑式的突破，可以帮助美国在不进行传统核试验的情况下保持核威慑力。

美国参议院多数党领袖查尔斯·舒默也表示：「在今年的《国防授权法》中，ICF项目将获得有史以来最高的拨款——超过6.24亿美元，从而让这个惊人的突破更进一步。」

清洁能源的「圣杯」

核聚变被认为是清洁能源生产领域的「圣杯」。因为它能够为太阳等恒星提供动力，而且可以在几乎没有污染的情况下产生大量能量。

几十年来，能够接近这一圣杯，是全世界科学家的愿望。

而现在，这一圣杯被LLNL的科学家「摘下」了。

12月5日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家在核聚变研究方面取得了重大突破，首次产生了能量净增益。

不过，这次实验产生的能量只够烧开15-20壶水。

此外，尽管该实验产生的能量比激光器输入的能量高，但与激光器工作所需供能（约300兆焦耳）相比则低得多。

显然，在投入大规模商用之前，这个过程还需要不断重复和完善，而且它产生的能量也必须得到显著提高才行。

但是想一想，前方可是「无限清洁能源」这一光明的目标啊！

毕竟与核裂变（主要在核电站和原子弹中使用）相比，核聚变的放射性废物要少得多，而且不会发生可能导致反应堆熔毁的失控链式反应。

对此，哥伦比亚大学应用物理学教授Carlos Paz-Soldan表示，该实验是人类在可控核聚变领域一个重要的里程碑。

因为它证明了：核聚变反应的「净能量增益」是确实可行的。

虽然内爆在十亿分之一秒内就结束了，但这段时间足以为研究核武器的科学家提供重要数据。

LLNL的这个实验，酝酿了至少有十年，并且曾在大约一年前，到达了一个里程碑。

在2021年8月的一次测试中，LLNL的激光簇的输出达到了创纪录的新水平，在100万亿分之一秒内产生了10千万亿瓦的聚变功率。

上次的聚变反应产生了激光发射能量的70%，而这次，输出的能量完全大于了消耗的能量。

商业化：不用等五六十年

目前的核聚变反应堆，通常使用以下两种方法来产生所需的热量：

• 磁约束反应堆（托卡马克环形反应堆），除了辅助热源外，还会使用磁铁来加热和容纳氢原子；

• 基于激光的系统，则使用大量的激光脉冲来轰击氢原子。

托卡马克装置的工作原理是，加热到超过1亿摄氏度时，会产生旋转的氢同位素等离子体，它们将会碰撞，而产生聚变反应。超级磁铁产生的磁场随后会将等离子体包含起来，以防止其破坏反应堆。

而两种反应堆的最大区别，在于聚变反应所需的时间。

磁反应堆可以使聚变过程持续更长时间，但需要更多的能量。

相比之下，基于激光的反应堆，可以让核聚变在很短的时间内发生，而且现在已经一定程度上跨过了净能量增益的门槛。

但是，作为激光反应堆代表的LLNL，虽然拥有迄今为止最强大的系统，能够将192束激光束聚焦在一个目标上，但每几个小时才能发射一次。

而如果想要将聚变反应堆应用于商业发电，就需要让激光器每秒加热目标10次。这并非根本不可能，但从工程角度来看，是非常困难的。

不过，此次实验的成功，还是证明了核聚变反应商业化的可能。

在发布会现场，美国能源部部长表示，核聚变的商业化，或许可能会在未来的「几个」十年内实现，但大概率不是之前说的50-60年。

到了那一天，人类可以产生几乎无碳的电力，这对于地球的生态环境意义重大。

不仅如此，核聚变依赖的是宇宙中含量最丰富的燃料——氢，并且，氢的聚变副产品是相对温和的元素氦。

在核裂变中，链式反应可能会失控。但核聚变则完全不同，它只是开始得比较困难而已。

耗资35亿美元的国家点火装置

LLNL建造的国家点火装置（NIP），耗资35亿美元。

它的雏形诞生于60多年前。

在20世纪60年代，LLNL的一组先锋科学家就作出假设：激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。

在物理学家John Nuckolls的领导下，这一革命性的想法演变为惯性约束核聚变。

为了实现这一概念，LLNL建立了一系列越来越强大的激光系统，最终建立了世界上最大、能量最强的NIF。

NIF有一个体育场那么大，它强大的激光束，可以创造出像恒星和巨行星的核心，以及核武器爆炸时的温度和压力。

在此次实验中，激光器模仿了太阳中心的条件，将重氢同位素，氘和氚，融合成氦。

具体来说，若干氢气小球被放入胡椒粒大小的装置中，然后使用强大的192束激光，加热和压缩氢燃料。

激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出X射线，然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度——比太阳中心还热，并将其压缩到地球大气层的1000亿倍以上。

高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。

在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应——也就是「点火」，随之便会放出大量能量。

不过，对于美国来说更重要的是，那些从事核储备的科学家可以绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核爆，转而以较小的规模进行核反应实验，并从中收集数据。

LLNL的武器物理和设计项目主任Mark Herrmann表示，这种输出，即30000万亿瓦特的功率，本身就创造了非常极端的环境，更加接近于核武器爆炸。

有分析人士也指出，作为武器的氢弹中的氘氚是凝聚态，并用原子弹压缩实现瞬时整体核反应。在激光惯性约束产生核聚变中，氘氚也是凝聚态，不同点是用激光压缩。如此一来便开辟了研究氢弹的新途径。

「核聚变」与「核裂变」

那么，还处在研究阶段的核聚变与现在广泛应用的核裂变，究竟有什么不同呢？

左：核裂变；右：核聚变什么是核裂变？

就像细胞分裂一样，在核裂变中，一个原子会分裂成更小的粒子，并放出原子核的结合能。

这种能量将会以热能和辐射的形式释放，其中热能被用来将水加热成蒸汽，进而使涡轮机转动并驱动发电机发电。

在实际操作中，核电站首先会将铀置于钢制反应堆容器内的密封金属圆筒中，然后向铀原子发射中子，使其分裂并释放出更多的中子。这些中子击中其他原子，形成链式反应，分裂出更多的原子，以热和辐射的形式释放能量。

作为靶核的铀235原子会分裂成氪和钡原子核，同时还有三个额外的中子，通过撞击其他铀235原子产生裂变链式反应。

什么是核聚变？

核聚变是结合原子核以产生能量的过程，其释放的能量是裂变的数倍，并且不会产生长期的放射性废物。

聚变核电站的运行方式与裂变核电站类似，利用原子反应产生的热量来加热水、产生蒸汽、驱动涡轮机和发电，但要在聚变反应堆中创造发电条件，同时满足能量消耗低于能量生成，一直是个难以克服的挑战。

核聚变反应堆通常使用一种可从海水中提取的氢同位素，称为氘（氢-2）。当受到高热和高压时，电子被迫离开氘原子，产生等离子体。

这种等离子体是一种过热的电离气体，需要用强磁场来控制，因为它的温度可以达到1亿摄氏度以上，是太阳核心温度的十倍。

辅助加热系统将温度提高到核聚变所需的水平（1.5-3亿摄氏度），通电的等离子体粒子发生碰撞并加热。这些条件允许高能粒子在碰撞时克服其自然电磁排斥力，将它们融合在一起并释放出巨大的能量。

关键区别是什么？

尽管核聚变和核裂变都使用原子能，但这两个过程之间有一些关键的区别：

• 核裂变在原子分裂时释放能量，而核聚变在原子结合时释放能量；

• 核聚变反应释放的能量比核裂变更多；

• 核聚变不会像核裂变那样产生有害的长期放射性废物；

• 核聚变的完成需要更多的能量。

总结一下

虽然，现在的我们需要数十亿美元，才能煮沸15-20个水壶里的水。

虽然，核聚变要真正应用于发电站，或许还需要数十年的研究和突破。

但是在60年的尺度上，人类已经取得了重大的突破。

对于未来，我们也应抱有更多的想象力。

参考资料：

https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition

https://nuclear.duke-energy.com/2021/05/27/fission-vs-fusion-whats-the-difference-6843001

https://en.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility