核聚變發(fā)電研究突破“聚變點火”里程碑

By Justine Calma / @justcalma

Updated Dec 14, 2022, 1:10 AM GMT+8

研究人員首次創(chuàng)造了一種能產生凈能量的聚變反應。加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究結果，標志著在利用核聚變產生清潔能源的漫長道路上邁出了重要一步。

白宮科技政策辦公室主任Arati Prabhakar今天在華盛頓特區(qū)舉行的新聞發(fā)布會上宣布了這一成就，他說:“上周，你瞧，他們確實向一個燃料顆粒****了一堆激光，聚變點火釋放的能量比激光進入的能量還要多。”“我只是認為這是一個非常好的例子，證明了毅力真的可以取得成功?！?/p>

“這是毅力所能成就的偉大榜樣”

當原子相互碰撞時，核聚變就發(fā)生了，“聚變”產生一個更重的原子，并在這個過程中釋放能量。在太陽和其他恒星中，氫原子核融合在一起，產生氦并產生巨大的能量。為了在地球上實現核聚變，人類必須將原子加熱到極高的溫度——數百萬攝氏度，這就是為什么達到凈能量增益是如此令人生畏的原因。

在這種情況下，當地時間12月5日凌晨1點03分，國家實驗室使用了192束強大的激光束，擊中了一個只有胡椒粒大小的氫同位素固體目標。目標被包裹在一個精心制作的鉆石外殼中。

            一位藝術家對NIF實驗中使用的燃料膠囊的插圖。            圖片:LLNL

“今天的貝殼幾乎是完美的圓形。它們比鏡子光滑100倍，它們有一個微小的管道，直徑約為頭發(fā)的50分之一，燃料通過這個管道被填充到外殼中，”勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的目標制造項目經理邁克爾·斯塔德曼說。“你可以想象，完美真的很難，所以我們還沒有達到那一步——我們的殼上還有小瑕疵，比細菌還小?！?/p>

實驗產生了3.15兆焦耳的能量，比用于觸發(fā)反應的2.05兆焦耳的激光多出了50%左右。通過這樣做，研究人員達到了科學的能量收支平衡，實現了所謂的“聚變點火”。

利用核聚變可能是革命性的——給人們提供豐富的能源，而不會產生溫室氣體排放或長期放射性廢物的嚴重副作用。然而，要做到這一點，需要克服巨大的工程障礙。經過幾十年的試驗，今天的聲明代表著克服其中一個障礙的一個小而重要的勝利。但在核聚變實現清潔能源夢想之前，還有很長很長的路要走。

自20世紀50年代以來，美國政府一直在資助核聚變能源研究。在世界各地，這種追求已經獲得了數百億美元的資金。到去年年底，英國聯合歐洲環(huán)面(JET)的科學家已經從核聚變中產生了創(chuàng)紀錄的59兆焦耳能量。最大的問題是，到目前為止，實驗室里的核聚變產生的能量還不能超過反應發(fā)生時所需的能量。

這是一個重要的里程碑，但仍有一些重要的警告需要注意。關鍵的一點是，能源部的勝利僅僅是基于激光的輸出，而激光的效率非常低。它需要從電網中獲得300兆焦耳的能量來獲得這2兆焦耳的激光能量。因此，今天的公告取決于“凈能源收益”的有限定義。

激光并不是實現核聚變的唯一途徑。包括JET在內的其他努力涉及一種名為托卡馬克的磁性裝置，用于限制和加熱等離子體。無論采用何種方法，我們都可能在幾十年后才能以這種方式在發(fā)電廠發(fā)電。要實現這一目標，需要更多的資金和漸進的勝利，今天的聲明就是其中之一。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任Kim Budil在新聞發(fā)布會上說:“有了真正的投資和真正的關注，這個時間表會越來越近?！薄霸诤荛L一段時間里，我們一直處于一個沒有接近的位置，對吧?因為我們需要第一個基本步驟。所以我們今天處于一個很好的位置，可以開始了解下一步需要做些什么?！?/p>

首先，科學家們需要再次達到點火的目的?！斑@是一個點火膠囊，一次。要實現商業(yè)核聚變能源，你必須做很多事情;你必須能夠每分鐘產生很多很多聚變點火事件，”Budil說?！安粌H在科學方面，而且在技術方面都存在非常重大的障礙?！?/p>

其中一個障礙是，未來任何研究中使用的激光都需要更高效。在這個實驗中使用的系統(tǒng)被稱為國家點火裝置，是世界上最大、能量最高的激光器，比三個足球場還大。但它仍然是基于上世紀80年代的技術?，F代激光器的效率更高，未來的努力可能會嘗試將更新的技術納入實驗。

“這表明這是可以做到的。越過這一門檻，他們就可以開始研究更好的激光器，更有效的激光器，更好的安全殼等?！薄拔覀冃枰綘I部門參與進來。這一突破得到了大量美國公共資金的投入，這一點非常重要，但我們將采取的所有必要步驟，使其達到商業(yè)水平，仍然需要公共研究和私人研究。”