天天要聞：可控核聚變點火成功！35億美元燒開20壺水，人類摘下清潔能源「圣杯」

新智元報道

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【新智元導讀】昨晚，發(fā)布會正式召開，LLNL實驗室可控核聚變點火成功，人造太陽指日可待了？

(資料圖片僅供參考)

在12月13日晚的新聞發(fā)布會上，美國能源部部長和LLNL的科學家們共同宣布了這項有關「無限清潔能源」的重大科學突破！

有史以來第一次，人類實現了核聚變反應的凈能量增益，也就是說，讓核聚變反應產生的能量多于了這一過程中消耗的能量——核聚變點火。而這也讓慣性聚變能（IFE）的科學基礎首次得到了證實。

據官方介紹，LLNL在向目標提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。

對此，美國能源部長Jennifer M. Granholm表示：「這是一個歷史性的時刻，自此以后，游戲規(guī)則將會被永遠改變?！?/p>

當然，被改變的不只有清潔能源的未來，更有美國的軍事力量。

拜登政府表示，NIF這一里程碑式的突破，可以幫助美國在不進行傳統(tǒng)核試驗的情況下保持核威懾力。

美國參議院多數黨領袖查爾斯·舒默也表示：「在今年的《國防授權法》中，ICF項目將獲得有史以來最高的撥款——超過6.24億美元，從而讓這個驚人的突破更進一步。」

清潔能源的「圣杯」

核聚變被認為是清潔能源生產領域的「圣杯」。因為它能夠為太陽等恒星提供動力，而且可以在幾乎沒有污染的情況下產生大量能量。

幾十年來，能夠接近這一圣杯，是全世界科學家的愿望。

而現在，這一圣杯被LLNL的科學家「摘下」了。

12月5日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家在核聚變研究方面取得了重大突破，首次產生了能量凈增益。

不過，這次實驗產生的能量只夠燒開15-20壺水。

此外，盡管該實驗產生的能量比激光器輸入的能量高，但與激光器工作所需供能（約300兆焦耳）相比則低得多。

顯然，在投入大規(guī)模商用之前，這個過程還需要不斷重復和完善，而且它產生的能量也必須得到顯著提高才行。

但是想一想，前方可是「無限清潔能源」這一光明的目標?。?/p>

畢竟與核裂變（主要在核電站和原子彈中使用）相比，核聚變的放射性廢物要少得多，而且不會發(fā)生可能導致反應堆熔毀的失控鏈式反應。

對此，哥倫比亞大學應用物理學教授Carlos Paz-Soldan表示，該實驗是人類在可控核聚變領域一個重要的里程碑。

因為它證明了：核聚變反應的「凈能量增益」是確實可行的。

雖然內爆在十億分之一秒內就結束了，但這段時間足以為研究核武器的科學家提供重要數據。

LLNL的這個實驗，醞釀了至少有十年，并且曾在大約一年前，到達了一個里程碑。

在2021年8月的一次測試中，LLNL的激光簇的輸出達到了創(chuàng)紀錄的新水平，在100萬億分之一秒內產生了10千萬億瓦的聚變功率。

上次的聚變反應產生了激光發(fā)射能量的70%，而這次，輸出的能量完全大于了消耗的能量。

商業(yè)化：不用等五六十年

目前的核聚變反應堆，通常使用以下兩種方法來產生所需的熱量：

磁約束反應堆（托卡馬克環(huán)形反應堆），除了輔助熱源外，還會使用磁鐵來加熱和容納氫原子；

基于激光的系統(tǒng)，則使用大量的激光脈沖來轟擊氫原子。

托卡馬克裝置的工作原理是，加熱到超過1億攝氏度時，會產生旋轉的氫同位素等離子體，它們將會碰撞，而產生聚變反應。超級磁鐵產生的磁場隨后會將等離子體包含起來，以防止其破壞反應堆。

而兩種反應堆的最大區(qū)別，在于聚變反應所需的時間。

磁反應堆可以使聚變過程持續(xù)更長時間，但需要更多的能量。

相比之下，基于激光的反應堆，可以讓核聚變在很短的時間內發(fā)生，而且現在已經一定程度上跨過了凈能量增益的門檻。

但是，作為激光反應堆代表的LLNL，雖然擁有迄今為止最強大的系統(tǒng)，能夠將192束激光束聚焦在一個目標上，但每幾個小時才能發(fā)射一次。

而如果想要將聚變反應堆應用于商業(yè)發(fā)電，就需要讓激光器每秒加熱目標10次。這并非根本不可能，但從工程角度來看，是非常困難的。

不過，此次實驗的成功，還是證明了核聚變反應商業(yè)化的可能。

在發(fā)布會現場，美國能源部部長表示，核聚變的商業(yè)化，或許可能會在未來的「幾個」十年內實現，但大概率不是之前說的50-60年。

到了那一天，人類可以產生幾乎無碳的電力，這對于地球的生態(tài)環(huán)境意義重大。

不僅如此，核聚變依賴的是宇宙中含量最豐富的燃料——氫，并且，氫的聚變副產品是相對溫和的元素氦。

在核裂變中，鏈式反應可能會失控。但核聚變則完全不同，它只是開始得比較困難而已。

耗資35億美元的國家點火裝置

LLNL建造的國家點火裝置（NIP），耗資35億美元。

它的雛形誕生于60多年前。

在20世紀60年代，LLNL的一組先鋒科學家就作出假設：激光可以用來在實驗室環(huán)境中誘導核聚變。

在物理學家John Nuckolls的領導下，這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。

為了實現這一概念，LLNL建立了一系列越來越強大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。

NIF有一個體育場那么大，它強大的激光束，可以創(chuàng)造出像恒星和巨行星的核心，以及核武器爆炸時的溫度和壓力。

在此次實驗中，激光器模仿了太陽中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

具體來說，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

激光在進入環(huán)空器后，會擊中內壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽中心還熱，并將其壓縮到地球大氣層的1000億倍以上。

高能激光會使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅使，最終會向中央坍縮發(fā)生內爆。

在內爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈式反應——也就是「點火」，隨之便會放出大量能量。

不過，對于美國來說更重要的是，那些從事核儲備的科學家可以繞過因《全面禁止核試驗條約》而停止的地下核爆，轉而以較小的規(guī)模進行核反應實驗，并從中收集數據。

LLNL的武器物理和設計項目主任Mark Herrmann表示，這種輸出，即30000萬億瓦特的功率，本身就創(chuàng)造了非常極端的環(huán)境，更加接近于核武器爆炸。

有分析人士也指出，作為武器的氫彈中的氘氚是凝聚態(tài)，并用原子彈壓縮實現瞬時整體核反應。在激光慣性約束產生核聚變中，氘氚也是凝聚態(tài)，不同點是用激光壓縮。如此一來便開辟了研究氫彈的新途徑。

「核聚變」與「核裂變」

那么，還處在研究階段的核聚變與現在廣泛應用的核裂變，究竟有什么不同呢？

左：核裂變；右：核聚變什么是核裂變？

就像細胞分裂一樣，在核裂變中，一個原子會分裂成更小的粒子，并放出原子核的結合能。

這種能量將會以熱能和輻射的形式釋放，其中熱能被用來將水加熱成蒸汽，進而使渦輪機轉動并驅動發(fā)電機發(fā)電。

在實際操作中，核電站首先會將鈾置于鋼制反應堆容器內的密封金屬圓筒中，然后向鈾原子發(fā)射中子，使其分裂并釋放出更多的中子。這些中子擊中其他原子，形成鏈式反應，分裂出更多的原子，以熱和輻射的形式釋放能量。

作為靶核的鈾235原子會分裂成氪和鋇原子核，同時還有三個額外的中子，通過撞擊其他鈾235原子產生裂變鏈式反應。

什么是核聚變？

核聚變是結合原子核以產生能量的過程，其釋放的能量是裂變的數倍，并且不會產生長期的放射性廢物。

聚變核電站的運行方式與裂變核電站類似，利用原子反應產生的熱量來加熱水、產生蒸汽、驅動渦輪機和發(fā)電，但要在聚變反應堆中創(chuàng)造發(fā)電條件，同時滿足能量消耗低于能量生成，一直是個難以克服的挑戰(zhàn)。

核聚變反應堆通常使用一種可從海水中提取的氫同位素，稱為氘（氫-2）。當受到高熱和高壓時，電子被迫離開氘原子，產生等離子體。

這種等離子體是一種過熱的電離氣體，需要用強磁場來控制，因為它的溫度可以達到1億攝氏度以上，是太陽核心溫度的十倍。

輔助加熱系統(tǒng)將溫度提高到核聚變所需的水平（1.5-3億攝氏度），通電的等離子體粒子發(fā)生碰撞并加熱。這些條件允許高能粒子在碰撞時克服其自然電磁排斥力，將它們融合在一起并釋放出巨大的能量。

關鍵區(qū)別是什么？

盡管核聚變和核裂變都使用原子能，但這兩個過程之間有一些關鍵的區(qū)別：

核裂變在原子分裂時釋放能量，而核聚變在原子結合時釋放能量；

核聚變反應釋放的能量比核裂變更多；

核聚變不會像核裂變那樣產生有害的長期放射性廢物；

核聚變的完成需要更多的能量。

總結一下

雖然，現在的我們需要數十億美元，才能煮沸15-20個水壺里的水。

雖然，核聚變要真正應用于發(fā)電站，或許還需要數十年的研究和突破。

但是在60年的尺度上，人類已經取得了重大的突破。

對于未來，我們也應抱有更多的想象力。

參考資料：

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

關鍵詞： 清潔能源 等離子體 脊椎動物