在全球氣候變暖和能源需求不斷增加之下，科學(xué)家一直希望以“核聚變”（又稱“核融合”）技術(shù)打造出“人造太陽(yáng)”，獲得大量潔凈能源。
12月12日，有美英媒體報(bào)道，美國(guó)加州的科學(xué)家在此領(lǐng)域獲得“重要突破”，首次在核聚變反應(yīng)中取得“能量?jī)粼鲆?rdquo;，即產(chǎn)生的能源大于消耗的能源。
英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》和《華盛頓郵報(bào)》報(bào)道，加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)使用實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的核聚變反應(yīng)爐，達(dá)成了“能量?jī)粼鲆?rdquo;（Net Energy Gain）。這代表研究人員首次成功在核聚變反應(yīng)中，產(chǎn)生的能源大于消耗的能源，可望朝追求零碳能源邁出重大一步。
美國(guó)能源部與LLNL發(fā)言人表示，無(wú)法對(duì)上述報(bào)道發(fā)表意見(jiàn)或加以證實(shí)，但能源部長(zhǎng)格蘭霍姆將于今日（12月13日）“宣布重大科學(xué)突破”。
LLNL發(fā)言人還說(shuō)，“分析還在進(jìn)行當(dāng)中，期待周二分析完成時(shí)，能分享更多信息”。
核聚變研究旨在模仿太陽(yáng)制造能源的方式，復(fù)制核反應(yīng)，該反應(yīng)能產(chǎn)生大量能源，且核廢料半衰期極短，被喻為零碳排的能源“圣杯”。理論上，一小杯氫燃料就可為一間房子供電長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年。
科學(xué)家自1950年代起就開始研究核聚變，不過(guò)，即使在實(shí)驗(yàn)室獲得突破，核聚變至少還要十年甚至數(shù)十年后才可能投入商用。
圖說(shuō)：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：Damien Jemison / theatlantic
01美國(guó)核聚變突破有多大？
該消息最早由《金融時(shí)報(bào)》引述三名知情人士報(bào)導(dǎo)，美國(guó)LLNL運(yùn)用一種稱為慣性局限聚變的過(guò)程，過(guò)去兩周在一次核聚變實(shí)驗(yàn)中達(dá)到凈能量增益。
這種過(guò)程包括借由當(dāng)今全球最大的激光，持續(xù)照射一個(gè)微小的氫電漿球。該聚變反應(yīng)產(chǎn)生了大約 2.5 兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%。整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析仍在進(jìn)行中。
這次實(shí)驗(yàn)在LLNL內(nèi)耗資35億美元的“國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施”（NIF）進(jìn)行。NIF去年曾從一次核聚變反應(yīng)制造出1.37兆焦耳，是當(dāng)時(shí)照射激光能量的70%，是此前科學(xué)家最接近凈能量增益的一次。
知情人士說(shuō)，這次實(shí)驗(yàn)?zāi)茉串a(chǎn)出雖多于預(yù)期，卻造成部分判讀設(shè)備受損，使分析工作變復(fù)雜。
英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院學(xué)者特瑞爾（Arthur Turrell）博士指出，“如果獲證實(shí)，我們正見(jiàn)證歷史性時(shí)刻”。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，科學(xué)家們一直在努力證明核聚變可以釋放比投入更多的能量，而LLNL的研究人員終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)數(shù)十年的目標(biāo)。
該設(shè)施的反應(yīng)堆是一個(gè)基于激光的慣性約束核聚變裝置，而不是大多數(shù)核聚變研究中正在使用的磁約束核聚變裝置。
02什么是核聚變
要了解核聚變，首先需要了解核能（又稱“原子能”），這是一種通過(guò)核反應(yīng)從原子核釋放的能量，符合愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc² ，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速。
核能可通過(guò)三種核反應(yīng)之一釋放：
1.核裂變，較重的原子核分裂釋放結(jié)合能。
2.核聚變，較輕的原子核聚合在一起釋放結(jié)合能。
3.核衰變，原子核自發(fā)衰變過(guò)程中釋放能量。
目前世界上大多數(shù)核電站，都是通過(guò)核裂變來(lái)獲得能量。核裂變是從原子核分裂中獲得能量，例如鈾會(huì)分裂成兩個(gè)較細(xì)的原子核和放出能量。核裂變可以是自發(fā)或誘發(fā)的，所以巨大的原子核普遍是 不穩(wěn)定的，它們有可能會(huì)自發(fā)分裂。
原子核受其他粒子的撞擊也會(huì)發(fā)生裂變，例如鈾受中子撞擊會(huì)實(shí)時(shí)分裂。
而核聚變則是通過(guò)將原子核結(jié)合而釋放能量。這個(gè)過(guò)程是指將兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)極輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。
兩個(gè)較輕的核在融合過(guò)程中產(chǎn)生質(zhì)量耗損并釋放出巨大的能量。舉個(gè)例：兩個(gè)質(zhì)量小的原子，比方說(shuō)兩個(gè)氘原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會(huì)發(fā)生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴隨著巨大的能量釋放。
太陽(yáng)發(fā)出的光和熱就是由氫核聚變反應(yīng) (變成氦) 所產(chǎn)生的。所以也有人把核聚變稱作“人造太陽(yáng)”。
啟動(dòng)和維持聚變反應(yīng)所需的條件比較苛刻——需要超過(guò)1億攝氏度的溫度，以達(dá)到發(fā)生反應(yīng)所需足夠高的粒子密度。由于聚變反應(yīng)只能在這種極端條件下發(fā)生，因此不可能出現(xiàn)“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
此外，核聚變不產(chǎn)生高放射性、長(zhǎng)壽命的核廢物。所以一般而言，核聚變比核裂變要安全。
在過(guò)去的幾十年里，熱核聚變研究形成了兩大分支，一是磁約束聚變，主攻方向是托卡馬克裝置（比如中國(guó)的東方超環(huán) (EAST) 和國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)），另外還有仿星器，反向場(chǎng)箍縮及磁鏡等裝置。另一平行研究分支是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，這次美國(guó)LLNL使用的就是激光聚變。另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。
圖說(shuō)：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員在檢查前置放大器支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的光學(xué)器件
來(lái)源：APnews
03核聚變商業(yè)化短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)
核聚變能提供無(wú)碳電力，有助于應(yīng)對(duì)氣候變化，確實(shí)給人類清潔能源提供了非常具有想象力的未來(lái)。包括比爾 · 蓋茨、杰夫 · 貝佐斯、約翰 · 杜爾和谷歌等在內(nèi)的商業(yè)大佬和知名企業(yè)，都向核聚變公司投入了大量資金。根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，私營(yíng)企業(yè)去年就獲得了超過(guò) 28 億美元的融資，近年來(lái)總共獲得了約 50 億美元融資。
這一次，面對(duì)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的新突破，科學(xué)家和能源行業(yè)專家似乎普遍感到興奮，但許多人也強(qiáng)調(diào)，這并不意味著我們很快就會(huì)建造核聚變發(fā)電廠，或者讓核聚變電能為我們的飛行汽車提供動(dòng)力。
倫敦帝國(guó)理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任 Jeremy Chittenden 評(píng)價(jià)說(shuō)：“盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但跟為電網(wǎng)供電和為建筑物供暖所需的能量相比，它的規(guī)模要小得多。這只相當(dāng)于燒開10壺水。為了把它變成一個(gè)發(fā)電站，我們需要獲得更多的能源。”
正如《華盛頓郵報(bào)》在關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的報(bào)道中指出的那樣，未來(lái)的科學(xué)和工程障礙仍然巨大：
要獲得凈能量，需要使用世界上最大的激光器之一，并且需要巨大的資源來(lái)重建反應(yīng)，使聚變適用于能源生產(chǎn)所需的規(guī)模。
更重要的是，工程師們還沒(méi)有開發(fā)出能夠以負(fù)擔(dān)得起的價(jià)格將這種反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電力的機(jī)械，這些電力實(shí)際上可以部署到電網(wǎng)中。
科學(xué)家說(shuō)，建造足夠大的設(shè)備來(lái)產(chǎn)生大規(guī)模的聚變電力，將需要非常困難的材料來(lái)生產(chǎn)。與此同時(shí)，該反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中子，給制造該反應(yīng)的設(shè)備帶來(lái)巨大的壓力，這種壓力可能會(huì)把設(shè)備摧毀。
效率和凈能量收益也是一個(gè)問(wèn)題。
要使反應(yīng)堆普遍有用，它必須產(chǎn)生比最初投入激光的能量更多的能量。從電力產(chǎn)生激光的效率非常低下。據(jù)估計(jì)，如果激光輸出2.1兆焦耳的能量，那么美國(guó)這套“國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施”（NIF）將不得不從電網(wǎng)中獲得數(shù)十兆焦耳的能量才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
即使反應(yīng)堆能夠抵消激光所需的真實(shí)能量，它也只能實(shí)現(xiàn)收支平衡。為了使核聚變成為現(xiàn)有能源的可行替代品，我們必須能夠提取大量的凈能源。
彭博社引述專家解釋說(shuō)，在這種系統(tǒng)中，由于廢熱和噪音而損失的能量，意味著它們的熱效率通常低于50%。
簡(jiǎn)而言之，這一突破絕對(duì)意義重大，值得興奮，但距離提供有用、豐富、清潔的能源還有很長(zhǎng)的路要走，商業(yè)化的聚變能源生產(chǎn)還需要幾十年的時(shí)間，不應(yīng)被視為很快就能解決世界能源或氣候變化問(wèn)題的靈丹妙藥。
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參考資料：
[1]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7
[2]https://www.theatlantic.com/technology/archive/2022/12/department-of-energy-nuclear-fusion-breakthrough-nif-livermore/672439/
[3]https://www.photonics.com/Articles/LLNLs_Nuclear_Fusion_Breakthrough_Offers_Step_to/a68579
[4]https://nymag.com/intelligencer/2022/12/how-big-is-the-u-s-fusion-breakthrough.html
[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752074632294928013&wfr=spider&for=pc
[6]https://www.sciencemediacentre.org/expert-reaction-to-fusion-announcement-from-the-lawrence-livermore-national-laboratory/
[7]https://new.qq.com/rain/a/20221213A03H1300
注：首圖來(lái)源于Laser Indirect Drive input to NNSA 2020 Report
