我们离“人造太阳”还有多远？

加利福尼亚Lawrence Livermore国家实验室研究核聚变能源的科学家们于12月13日宣布，他们在实验室中成功复刻了太阳的能量，跨越了一个期待已久的里程碑。

几十年来，科学家们一直在谈论聚变这种使恒星发光的核反应如何能为未来提供丰富的能源。而这个新鲜出炉的消息是第一个在实验室环境中进行的核聚变反应，其产生的能量甚至超过了启动所需。

Lawrence Livermore国家实验室在聚变反应中

产生的能量超过了引发该反应的激光束所消耗的能量

善金局TAKEAWAY

·国家点火设施(NIF)的科学家进行了历史上第一个受控聚变实验，其中聚变产生的能量多于驱动它的激光能量。

·如果核聚变能够大规模部署，它将提供一种非化石燃料的清洁能源，以减少燃烧产生的污染和温室气体，以及核电站所产生的寿命极长的放射性废物。

·为了实现将升温控制在2摄氏度，甚至1.5摄氏度的目标，世界必须在2050年前达到净零排放。

·投资核聚变不是为了满足我们今天的能源需求，而是为了满足本世纪下半叶的需求。

核科学里程碑

“我们实现了一种可能性，建立了一个科学里程碑，发现了一条通往清洁能源可能性的道路，甚至对其中所应用的科学原理有了更深的理解”，白宫科学顾问Arati Prabhakar在新闻发布会上说。

如果核聚变能够大规模部署，它将提供一种非化石燃料的清洁能源，以减少燃烧产生的污染和温室气体，以及核电站所产生的寿命极长的放射性废物——这些核电站利用铀的裂变来产生能量。

在太阳和其他恒星中，核聚变不断地将氢原子结合成氦，产生光和热，沐浴着行星。在地球上的实验反应堆和激光实验室中，核聚变也不负盛名，是一种非常清洁的能源。然而，始终有一个悬而未决的问题：实验所消耗的能量比核聚变反应产生的能量还要多。

12月5日凌晨1点03分，当实验室国家点火设施（NIF）中的192台巨型激光器轰击一个大约铅笔头大小的圆柱体时，这种情况发生了变化。

该圆柱体中包含一个被钻石壳包裹的氘-氚（较重的氢的同位素）的燃料球。激光束从圆柱体的顶部和底部进入，在圆柱体的内部产生了向内的X射线冲击，分解燃料球的外壳。

在持续不到100万亿分之一秒的短暂时刻，2.05兆焦耳的能量（约相当于一磅TNT炸药）轰击了燃料球。氘-氚产生“爆聚”效应，发生核聚变。过程中释放出大量的中子粒子（聚变的产物），它们携带了大约3兆焦耳的能量，是能量增益的1.5倍。

这超过了激光核聚变科学家称之为“点火”的阈值，即核聚变产生的能量等于启动反应的射击激光能量的分界线。

“你看到一个诊断结果，你认为也许这不是真的，然后越来越多的结果滚滚而来，指向同样的事情，”Livermore的物理学家Annie Kritcher描述了在实验后审查数据的情况，“这是一种伟大的感觉。"

这次实验的成功最终实现了1997年开始建造国家点火设施（NIF）时承诺的目标。然而，自2009年开始运行至今，在联邦政府投资了35亿美元之后，该设施几乎没有产生任何核聚变。

Lawrence Livermore国家实验室的

国家点火设施的靶区

2014年，Lawrence Livermore的科学家们终于报告了一些成功，但聚变产生的能量微乎其微，仅相当于一个60瓦的灯泡在5分钟内的消耗。然而在去年8月，该设施产生了惊人的能量爆发——相当于射击激光光能的70%。

Livermore的武器物理和设计项目主任Mark Herrmann表示，研究人员随后进行了一系列的实验，以更好地理解8月令人惊讶的成功，他们努力将激光器的能量提高了近10%，并改进了目标氢的设计。9月进行了第一次2.05兆焦耳的激光射击，首次尝试产生了1.2兆焦耳的聚变能量。

永续清洁能源发电厂会实现吗？

聚变过程与现有核电站中发生的核裂变相反，核聚变来自于在如此高的温度下将两个小原子核撞击在一起以致它们融合并释放能量。

在裂变中，不是融合两个原子，而是一个重原子分裂成两个或更多。世界上所有的核电站都使用裂变反应堆来发电。在法国，国际热核聚变实验反应堆（ITER）70%的能量来自核裂变。

然而，由于切尔诺贝利灾难、福岛核电站熔毁和美国三哩岛部分熔毁等事故引发的公众对有害辐射的担忧，它在大多数国家并不是一种受欢迎的燃料来源。

1986年4月26日，苏联乌克兰的切尔诺贝利核电站

发生大规模爆炸，放射性物质释放到白俄罗斯、

俄罗斯和乌克兰各地，远至斯堪的纳维亚半岛和西欧

ITER知识官Akko Maas说，核裂变和聚变的主要区别在于每种方法产生的燃料的放射性。“在裂变中，铀和钚都具有放射性。”在被认为对聚变最有效的两种基础材料中，氘不具有放射性，但氚具有放射性。但是，它的辐射相对较弱且寿命较短。

在燃料方面，氘可以在海水中找到，而整个过程中的副产品锂可以生产氚。每使用一公斤材料，该过程释放的能量是燃烧化石燃料的近400万倍，而未反应的氦气是唯一的废物。

核聚变示意图

回到NIF，它的主要目的是进行实验以帮助美国维持其核武器。这使得这次成功对生产能源的直接影响是暂时性的。

核聚变基本上是一种无排放的能源，它将有助于减少对燃烧煤炭和天然气的发电厂的需求，这些发电厂每年向大气层输送数十亿吨的温室气体。但等到核聚变能够在广泛的、实用的规模上使用，却仍需要相当长的时间。

大多数气候科学家和政策制定者说，为了实现将升温控制在2摄氏度，甚至1.5摄氏度的目标，世界必须在2050年前达到净零排放。

迄今为止，聚变工作主要使用被称为托卡马克（tokamak）的圆环形反应堆。在反应堆内，氢气被加热到足够热的温度，使电子从氢核上剥离，形成所谓的等离子体——带正电的核和带负电的电子云。磁场将等离子体困在圆环形状内，原子核融合在一起，以中子的形式释放能量向外飞去。

NIF的工作采取了不同的方法，但到目前为止，将激光核聚变电站变为现实的工作却很少。Budil博士说："不仅是在科学方面，而且在技术层面，都有非常大的阻碍。”

NIF是世界上最强大的激光器，但缓慢低效，依靠的是几十年前的技术。该仪器大约有一个体育场的大小，被设计用来进行基础科学实验，而不是作为发电的原型。它平均每周发射激光约10次。然而使用激光核聚变方法的商业设施将需要更快的激光器，能够以机关枪般的速度射击，也许一秒钟就需要10次。

NIF所消耗的能量也仍然远远超过聚变反应所产生的能量。尽管最新实验产生的能量与传入的激光束中的2.05兆焦耳的能量相比是净增的，但NIF需要从电网中抽取300兆焦耳的能量，以产生短暂的激光脉冲。

其他类型的激光器效率更高，但专家们说，一个可行的激光核聚变电站可能需要比这次最新的核聚变观察到的1.5倍能量增益还要高得多。Livermore将继续推动NIF核聚变实验，以获得更高的核聚变输出。

Lawrence Livermore国家实验室主任

Kim Budil博士在华盛顿能源部的新闻发布会上

今年3月，白宫举行了一次峰会，寻求加快商业核聚变的发展。

"开发一种经济上有吸引力的核聚变能源方法是一个巨大的科学和工程挑战。毫无疑问，这将是一项不朽的事业。" Tammy Ma说，他在Livermore领导一项研究可能性的工作。

Tammy Ma认为，能源部委托的一份为激光聚变能源研究提供框架的报告将很快出台。这样一个计划，将不可避免地需要整个社会的参与，除了像Livermore这样的国家实验室之外，还包括学术界、初创公司和公共设施。归根结底，核聚变技术需要时间。

核科学家 LJ Reinders 在他的《核聚变童话》（The Fairy Tale of Nuclear Fusion）一书中提到，聚变能来得太迟，无法帮助缓解我们紧迫的气候问题。

法国国际热核实验反应堆总经理Pietro Barabaschi

聚变发电肯定无法解决今冬的能源危机，也无助于加速减排进程。然而，法国国际热核聚变实验堆总负责人Pietro Barabaschi 认为，投资核聚变不是为了满足我们今天的能源需求，而是为了满足本世纪下半叶的需求。

当下即未来

撰文 | Vianna

编辑 | Cathie

排版 | Vianna

图片源自网络.

Reference↓

https://www.nytimes.com/2022/12/13/science/nuclear-fusion-energy-breakthrough.html

https://www.dw.com/en/energy-breakthrough-can-nuclear-fusion-help-fuel-the-world/a-64004682