美国实现核聚变“点火”，这为什么是大新闻？

原创 万物 把科学带回家

（图片来源：LLNL）

撰文 | Greye

审校 | 韩晶晶

前段时间，你可能在朋友圈刷到这条新闻：

美国能源部宣布，位于加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)实现了可控核聚变“点火”，创造了历史。并称这一突破将永远改变清洁能源的未来。

核聚变“点火”是什么意思？这一科学突破又有什么意义？

下面将为你一一解答。

美国能源部的推特。（图片来源：Twitter）

首先，这里的“点火”并非字面意思，它实际上指核聚变反应所产生的能量超过了输入的能量。

这涉及到核聚变反应的原理。

在中学化学课上，我们都学过核裂变与核聚变。核裂变是用一个中子去撞击一个重核原子，比如铀，让它分裂成两个较轻的原子，同时释放出能量。这就是目前世界上各核电站中进行的反应。

而核聚变则相反，它是将两个较轻的原子，融合形成一个较重的核原子，从而释放出巨大的能量。

太阳已有四十亿岁，在它的内部，每时每刻都在发生剧烈的核聚变反应。

太阳每秒放出的能量约为3.9×10的26次方焦耳，而到达地球表面的能量，仅为太阳每秒释放的10亿分之一，但这依然足够万物繁衍生息。

太阳上的核聚变反应。（图片来源：India Today）

在 LLNL 的核聚变实验中，研究者用192束激光射击一个金属罐，里面有一个约1毫米大的燃料小球，含有氢的同位素氘和氚。

当激光击中罐子时会产生 X 射线，它会加热并压缩燃料颗粒，使其密度变大，同时温度将高达300万摄氏度。

保持这个条件一段时间，两个原子就会产生核聚变反应。

这次输入的激光能量为2.05 兆焦，而产生的能量为 3.15 兆焦，这是 LLNL 首次实现净能量增益。

但需要强调的是，发射的激光需要消耗300兆焦的电能。

灰色是激光消耗的电能，黄色是激光输入的能量，绿色是核聚变释放的能量。（图片来源：physics today）

总统首席科学技术顾问 Arati Prabhakar博士 说，“我们对核聚变已经有一个多世纪的理论理解，但从了解到实践的过程是漫长而艰巨的。”

1960年，人类发明了激光，而从激光发明伊始，人们就开始研究将它用于核聚变。

2009年，美国建成了国家点火装置（NIF），耗资35亿美元，大约有三个美式足球场大小，是世界上最强大的激光器。

建成以来，它发射了约5000次，平均每周10次。

NIF 结构图。（图片来源：Journals）

事实上，LLNL 实验室最早定下的目标是在2012年实现“点火”，但未能如愿。到了2014年，核聚变反应产生的能量仍非常少——相当于一个60瓦的灯泡亮5分钟消耗的能量。

由于延误和成本超支，这个项目一度面临质疑和批评。

去年8月，科学家们也曾宣布 NIF 实现了“点火”，但重复实验时却失败了。而一切的努力，终于在如今得到回报。

可以说，可控核聚变的“点火”成功，背后是几代科学家花费了数十年的努力达成的。

激光正在击中金属罐。（图片来源：LLNL）

目前世界上对可控核聚变的研究主要分为两类，一类是 LLNL 所使用的激光核聚变，另一类是磁约束核聚变。

所谓磁约束核聚变，就是用磁场和高热等离子体来引发核聚变反应的技术。

这个实验的典型装置，是位于法国的国际热核聚变实验反应堆（ITER），它花费了100亿欧元建设，我国科学家也深度参与其中。

磁约束核聚变反应，都会用到托卡马克，也就是环磁机。

它就像一个甜甜圈，中央有个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在真空室里注入气体，加热后形成等离子体电流，它与线圈的电流就会形成螺旋形磁场，约束住等离子体，从而产生核聚变反应。

ITER 预计将在2025年进行等离子体实验，2035年进行氘-氚聚合实验。

磁约束核聚变的原理。（图片来源：Wiki）

为什么可控核聚变如此重要，需要我们花费巨大的人力物力去研究？

简单来说，核聚变是地球能源未来的希望。

目前地球上的主要能源是化石能源。发电厂燃烧煤炭和天然气，每年会向大气排放数十亿吨的温室气体，这也是导致地球变暖的元凶。

而核电站不但建造成本和养护成本高昂，还会产生长期存在的放射废物，造成污染。

相比起来，核聚变不但产生的能量巨大，而且不会产生任何废物。

核聚变所需的原料氘和氚，氘可从海水中提取，而氚可以从锂中提取。一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量，就相当于地球上所有石油储备产生的总能量。

难怪核聚变被称为“终极能源”。

物理学家 Mark Henderson 博士算了一笔账，按照目前人类能源消耗量来算，这种新能源够人类使用一千五百亿年。

也就是说，有了核聚变，人类将在很长一段时间内能源无虞。

（图片来源：纪录片《未来漫游指南》）

“点火”成功，只是人类在可控核聚变研究上踏出的第一步。

距离建设核聚变发电站，实现商业发电，仍有很大距离。

NIF 的建设初衷是科学实验，它太大、太贵，而且效率太低。如果要用于商业发电，激光器必须要像机关枪一样密集发射，并且每次发射都需要产生核聚变反应，这中间还有太多技术壁垒。

高功率激光物理国家实验室主任朱健强，在接受媒体采访时分析，NIF 成功“点火”后，有两条路可走。

“一是冲刺更高的能量增益，以后或将再建更大能量的激光装置。二是寻求更加简单的点火方式，往实用方面继续开展研究。”

进行可控核聚变反应的实验室。（图片来源：LLNL）

而未来核聚变要用于商业发电，还需要几十年的努力和投资。

但这个“几十年”到底是多久？LLNL 实验室主任 Kimberly S. Budil 说，不是六十年，也不是五十年，他认为是比这更快的时间，我们就能建成核聚变发电厂。

气候科学家们曾制定一个小目标，世界在2050年时实现零排放。

如果可控核聚变技术能在二三十年后完全取代化石能源，那么我们对清洁能源的一切希冀与想象，也许就能变成现实。

正如 Arati Prabhakar 博士所说，“今天的里程碑表明，只要坚持不懈，我们就可以做到。”

封面来源：LLNL

参考资料：

[1]"National Ignition Facility Achieves Fusion Ignition". 2022. Llnl.Gov.

[2]explainer, news. 2022. "Nuclear-Fusion Lab Achieves ‘Ignition’: What Does It Mean?". Nature.Com.

[3]"Laser Fusion Reactor Approaches ‘Burning Plasma' Milestone". 2022. Science.Org.

[4]"Why Fusion Ignition Is Being Hailed As A Major Breakthrough In Fusion – A Nuclear Physicist Explains". 2022. The Conversation.

[5]"Major Fusion Energy Breakthrough To Be Announced By Scientists". 2022. Nytimes.Com.

[6]"Scientists Achieve Nuclear Fusion Breakthrough With Blast Of 192 Lasers". 2022. Nytimes.Com.

[7]"Opinion | We Need Fusion Energy To Advance Our Climate Endgame". 2022. Nytimes.Com.

[8]"上海光机所朱健强解读美国激光核聚变点火：建商业电站仍需几十年_未来2%_澎湃新闻-The Paper". 2022. Thepaper.Cn.

[9]"美国能源部宣布“里程碑式成就”：世界首次激光核聚变点火成功_未来2%_澎湃新闻-The Paper". 2022. Thepaper.Cn.

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