智東西12月14日報(bào)道，北京時(shí)間昨晚23點(diǎn)，美國能源部宣布一項(xiàng)重大科學(xué)突破：美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國家點(diǎn)火裝置（NIF）首次實(shí)現(xiàn)激光核聚變“點(diǎn)火”。

該實(shí)驗(yàn)從可控核聚變中產(chǎn)生的3.15MJ能量，超過了驅(qū)動(dòng)核聚變的2.05MJ激光能量。

(資料圖)

這種獲得能量比投入能量更多的情況，被稱作“科學(xué)能量盈虧平衡”。

科學(xué)家希望通過探索和利用核聚變產(chǎn)生的能力，實(shí)現(xiàn)“人造太陽”的目標(biāo)，為地球提供近乎無限的清潔能源。

聚變研究可以追溯到20世紀(jì)50年代初，科學(xué)家足足用了70年，才實(shí)現(xiàn)這一突破性進(jìn)展。

然而，對于實(shí)際商業(yè)聚變能源來說，當(dāng)前科學(xué)突破的進(jìn)步意義仍然有限：取得這一進(jìn)展的代價(jià)非常昂貴，NIF從電網(wǎng)消耗的能量，比它產(chǎn)生能量的100倍還多。

▲NIF目標(biāo)艙（圖源：LLNL）

01.激光核聚變研究的階段性勝利

核聚變是兩個(gè)輕核結(jié)合形成一個(gè)較重的核并釋放大量能量的過程。圍繞這個(gè)方向的研究，LLNL創(chuàng)建了美國最大規(guī)模、能量最高的激光系統(tǒng)NIF。

據(jù)悉，NIF有一個(gè)體育場那么大，使用強(qiáng)大的激光束來產(chǎn)生類似于恒星和巨行星核心以及爆炸核武器內(nèi)部的溫度和壓力。作為美國能源部核武器計(jì)劃的旗艦實(shí)驗(yàn)設(shè)施，NIF最初目標(biāo)是在2012年前實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，但因延誤和成本超支而受到批評。

2021年8月，NIF科學(xué)家宣布他們已用高功率激光設(shè)備實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的反應(yīng)，該反應(yīng)跨越了點(diǎn)火路徑上的臨界閾值。然而接下來幾個(gè)月中復(fù)制該實(shí)驗(yàn)的努力未能實(shí)現(xiàn)，最終，科學(xué)家們重新考慮了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，直至最近這次新實(shí)驗(yàn)的成功。

▲NIF中的圓柱體裝置（圖源：LLNL）

NIF設(shè)施用192臺(tái)激光器將2.05MJ能量輸送到一個(gè)豌豆大小的金圓柱體上。這個(gè)圓柱體裝有氫同位素氘和氚的冷凍顆粒。激光束將氘和氚燃料球“打爆”，產(chǎn)生只有在恒星和熱核武器中才能觀察到的溫度，氫同位素融合成氦，釋放出額外的能量并產(chǎn)生一連串的聚變反應(yīng)。

▲激光束轉(zhuǎn)化成X射線，然后壓縮燃料艙直至內(nèi)爆（圖源：LLNL）

實(shí)驗(yàn)分析表明，核聚變反應(yīng)釋放了大約3.15MJ的能量——比進(jìn)入反應(yīng)的能量多大約54%，是之前1.3MJ記錄的兩倍多。

不過，雖然聚變反應(yīng)產(chǎn)生了超3.15MJ的能量，但NIF在此過程中消耗了高達(dá)322MJ的能量，大約是3.15MJ的102倍。

由此來看，NIF實(shí)驗(yàn)的成功，對通往商業(yè)聚變能的道路上的確產(chǎn)生了積極影響，但這一結(jié)果與發(fā)電所需的實(shí)際能量增益還有很長的路要走。

02.距離廣泛實(shí)用化，可能需要幾十年

實(shí)現(xiàn)比激光輸入能量略多的核聚變輸出能量，引起了人們對清潔核聚變能源驅(qū)動(dòng)未來的熱議。但專家警告說，接下來還有很多要解決的挑戰(zhàn)。

首先，就投入成本而言，NIF設(shè)施耗資35億美元，其當(dāng)前取得的進(jìn)展相當(dāng)于是投入100度電換來生成約1度電，離經(jīng)濟(jì)可行性還差得遠(yuǎn)。要探索商業(yè)化發(fā)電，輸出能量的能量增益至少需提高百倍。

▲NIF目標(biāo)室（圖源：LLNL）

其次，發(fā)電廠需要穩(wěn)定的電力，但是NIF每天最多能夠執(zhí)行一次實(shí)驗(yàn)性爆炸，而且每次爆炸都需要嚴(yán)苛的條件。工程挑戰(zhàn)也擺在面前，包括設(shè)計(jì)和建造用于實(shí)際發(fā)電的工廠，使其可提取聚變產(chǎn)生的熱量并將它轉(zhuǎn)化為大量可用的電力。

最后是供應(yīng)問題。氘還算豐富，但全世界的氚總供應(yīng)量大約只有50磅。2020年，氚的市場成本接近100萬美元/盎司。LLNL科學(xué)家估計(jì)，以NIF為模型的商業(yè)運(yùn)作每天需要2磅。因此生產(chǎn)更多的氚將是一大供應(yīng)挑戰(zhàn)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）主任Kim Budil坦言，要實(shí)現(xiàn)廣泛、實(shí)用的核聚變，“可能需要幾十年”。

全球范圍內(nèi)，還有許多其他實(shí)驗(yàn)正在嘗試探索用不同方法實(shí)現(xiàn)能源應(yīng)用的聚變。NIF采用的是慣性約束方法，歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、印度等合作的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目則在探索磁約束技術(shù)路線，即用磁場控制氘和氚等離子體，將其加熱直至產(chǎn)生核聚變。中國團(tuán)隊(duì)在這個(gè)國際項(xiàng)目中承擔(dān)的任務(wù)約占9%。

今年11月22日，在中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心指導(dǎo)下，中國團(tuán)隊(duì)完成了全球最大“人造太陽”ITER的核心部件——被喻為ITER“防火墻”的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁全尺寸原型件的首件制造。這一實(shí)質(zhì)性工程突破，為我國下一步建造聚變工程實(shí)驗(yàn)堆和商用電站奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

03.結(jié)語：邁向“終極能源”未來仍長路漫漫

太陽將氫合成氦的聚變反應(yīng)產(chǎn)生了巨大的能量，人類希望從大自然的鬼斧神工汲取靈感，在地球上再造一顆能源源不斷供給能源的“太陽”，幫助人們擺脫能源危機(jī)的困擾。

而NIF實(shí)驗(yàn)的歷史性成功，證明了慣性約束聚變的可行性，有助于增強(qiáng)人們對核聚變清潔能源前景的信心，提高推廣能源計(jì)劃的可信度，并為各種能源應(yīng)用相關(guān)的項(xiàng)目研究打開大門。

邁向清潔、安全、有效的“終極能源”未來，人類還有很長的路要走。NIF接下來的用途也備受關(guān)注。現(xiàn)在最大的問題是，美國能源部接下來要做什么：是加大核武器研究力度，還是優(yōu)先推動(dòng)利用核聚變發(fā)電的商業(yè)可行性研究？

來源：Nature，Big Think

關(guān)鍵詞： 聚變反應(yīng) 能源計(jì)劃 激光核聚變