英专家称美国核聚变只够烧开10壶水

当地时间12月13日，美国能源部和国家核安全局宣布，美国国家点火装置在12月5日的一次实验中，成功实现了核聚变点火——聚变产生的能量多于激光输入的能量。这台耗资35亿美元的装置将携带2.05兆焦耳能量

正文摘要:

当地时间12月13日，美国能源部和国家核安全局宣布，美国国家点火装置在12月5日的一次实验中，成功实现了核聚变点火——聚变产生的能量多于激光输入的能量。这台耗资35亿美元的装置将携带2.05兆焦耳能量的192束激光打在几毫米大小的燃料罐上，产生了3.15兆焦的能量——大概能烧开10壶水。作为科幻作品最青睐的能源，核聚变拥有很多美妙的性质。但除了玩文字游戏，将光伏发电算作核聚变发电的人外，人类至今为止还没有在核聚变上实现输出大于输入。不过情况正在发生转变。去年8月8日，NIF就已经让核聚变输出能量达到了输入能量的70%。英专家称美国核聚变只够烧开10壶水究竟是怎么一回事，跟随小编一起看看吧。

美国人造太阳的原理

美国能源部星期二（12月13日）宣布，加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），在12月5日的一次核聚变实验中短暂实现净能量增益，即核聚变产生的能量超过了输入的激光能量。

这为人类首次成功地使核聚变反应堆所生成的能量超过了所消耗的能量。这一突破为人类或许在几十年后，采用类似于为太阳和恒星提供动力的核聚变反应作为能源带来无限憧憬。

此种核聚变的工作原理是让两个原子核接受摄氏1亿度或以上的极度高温，使其聚合成一个新的更大原子，释放出巨大能量。但是，这个过程消耗巨大的能量，所以科学家一直面对的难题之一是如何让释出的能量大于输入的能量，并且应该持续这个过程，而不仅仅是短暂瞬间。

这一次美国研究人员将少量氢气放入胡椒粒大小的胶囊里，然后使用强大的192束激光加热和压缩氢燃料。这激光非常强大，可将胶囊加热到1亿摄氏度，比太阳核心的温度还要高，并将它压缩到大气压力的1000亿倍以上。科学家在这个实验中取得的能量很小，只足够烧开几壶水。但它的意义是巨大的。

核聚变并不便宜，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室进行的核聚变试验耗资35亿美元。

哥伦比亚大学访问学者，前能源部能源副部长Paul Dabbar，他负责监督国家实验室。他说，“核聚变本质上是在利用太阳的能量，尽管这个原理已经被了解了几十年，但科学家们一直无法保持这个反应的进行，因为它需要大量的热量和压力来维持。经过多年的努力 ，我们这一次走出了短暂的一小步，当然还有很多工作要做。我们还需要至少10或20年才能转化成实际的电厂。这相当于我们能把一颗恒星带到了地球上，是个被控制的恒星。我们把宇宙中最丰富的元素转化为能量，就像太阳一样，只是装在盒子里。没有环境影响，输入氢产生有无限的能量。”

与今天使用的核电站（裂变）相比，核聚变发电没有碳排放，没有空气污染，产生的废物也很少。它还以氢气为燃料，而氢气的含量非常丰富。尽管还需要几十年才有可能使这一技术走入实用，但让人类在遏制碳排放，减缓温室气体，改善全球气候的道路上看到了希望。

见证历史！人类核聚变首次实现正收益，产出能量每天能烧开10壶水

来源丨环球科学

激光聚焦在金罐上，而金罐释放X射线加热压缩其中的核燃料。图片来源：NIF/LLNL

当地时间12月13日，美国能源部和国家核安全局宣布，美国国家点火装置（NIF）在12月5日的一次实验中，成功实现了核聚变点火——聚变产生的能量多于激光输入的能量。这台耗资35亿美元的装置将携带2.05兆焦耳能量的192束激光打在几毫米大小的燃料罐上，产生了3.15兆焦的能量——大概能烧开10壶水。

编译｜张琪、王昱

作为科幻作品最青睐的能源，核聚变拥有很多美妙的性质。首先，地球上就有大量核聚变的燃料，如果将海水中的氘全提取出来用作核聚变，那海水的能量密度就能和石油相当；其次，核聚变需要外界环境介入主动维持，一旦设施失效反应会自动停止，安全隐患远小于核裂变；另外，核聚变还不会排放温室气体、也不会产生半衰期较长的放射性废料，完全算得上清洁能源。

但除了玩文字游戏，将光伏发电算作核聚变发电的人外，人类至今为止还没有在核聚变上实现输出大于输入。

不过情况正在发生转变。当地时间12月13日，美国能源部和国家核安全局宣布，美国国家点火装置（NIF）成功实现了核聚变点火。激光输入2.05兆焦耳的能量，核聚变能产生3.15兆焦的能量——输出能量正好能把10升水从25摄氏度烧到100摄氏度。

核聚变点火

NIF是一台耗资35亿美元、占地相当于3个美式足球场的巨兽，它从2010年就已经开始了试验，原本计划在2012年实现核聚变点火，但计划却一再被延误，预算也不断超支。实验过程中，NIF可以发出1053纳米的红外脉冲，脉冲分为192束，每束激光长度仅有几纳秒。红外激光会被转换成351纳米的紫外线，最终聚焦在燃料球上。燃料球是一个铅笔橡皮大小的金罐，里面装有胡椒粒大小的燃料舱。金被加热到数百万度，会发出X射线，使胶囊的钻石壳蒸发。爆破的钻石使燃料内爆（implosion），压缩并加热燃料舱中的氘和氚，从而实现核聚变。

美国国家点火装置（NIF）示意图。图片来源：public domain

如果实验的条件足够理想，那么聚变反应会在中心热点开始并平稳地向外传播，聚变产生的热量会引发更多核燃烧，这种核燃料自我维持燃烧的状态被称为核聚变点火。实现核聚变点火所需要的条件被称为劳森判据（Lawson Criterion），它指的是核聚变材料的密度、温度和禁锢时间三者之积必须超过10eV·s·m-，才有可能实现核聚变产能。

去年8月8日，NIF就已经让核聚变输出能量达到了输入能量的70%。今年8月8日，研究团队在《物理评论快报》上介绍了那次实验成果。他们在实验中已经突破了劳森判据，但还没有实现最终的能量收支平衡，当时输入的能量为1.92兆焦耳，聚变反应能量达到了1.37兆焦耳。

但那次突破之后，NIF团队发现他们一直无法重现当时的成功。后来发现使用光滑的钻石胶囊是关键（smooth diamond capsule）——2021年8月那个是最光滑和接近球形的。他们还使胶囊变厚了一些，提供了更大的动量，但需要更长、更强大的激光脉冲。因此调整了激光，将能量从1.9兆焦提高到2.05兆焦。

今年9月的一次实验产生了1.2兆焦耳能量，研究者认为他们走的路是正确的。但那次燃料球被压扁了，并没有被均匀压缩，激光脉冲还需要经过精细调整。最后，通过调整激光的192束光束之间的能量，它们能够获得更加球形的内爆。终于在12月5日得到了这样的结果——输入2.05兆焦耳，输出3.15兆焦耳。

不能发电的核聚变

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）主任金·布迪尔（Kim Budil）将这次成就归为一次概念证明：“我不想让你觉得我们要把NIF接入电网：这绝对不是它的工作原理。但这（次成就）是惯性约束方案不可或缺的一部分。”美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室是NIF的主管单位。

NIF的核燃料球就放在图中的装置内，192束激光会一起轰击燃料球从而产生核聚变。图片来源：NIF/LLNL

如果算总账的话，NIF离输出大于输入还差得很远。NIF的激光器效率低下，为了产生2.05兆焦耳能量的激光，激光器需要消耗322兆焦耳的能量。为了实现总输出大于总输入，NIF至少还需要将效率提升两个数量级。

罗彻斯特大学激光能量学实验室的里卡多·贝蒂（Riccardo Betti）表示，目前的实验方案还有另一个低效率问题——它依赖于“间接驱动”，引发核聚变的并不是激光本身，而是激光冲击金罐时产生的X射线。只有1%的激光能量能进入燃料。他更赞成“直接驱动”，这是他的实验室采用的方法，激光的能量利用率能达到5%。2020 年，贝蒂曾以NIF核聚变能源科学咨询委员会委员的身份参与撰写过一份报告，建议NIF使用“直接驱动”。“我们需要一种新的范式，”贝蒂说，但“没有明确的方法可以做到这一点。”

此外，如果想用NIF发电的话，实验重复速度也是一个重要的问题。目前NIF每天只能进行1次这样的实验，为了让发电功率能与真正的发电厂相匹敌，NIF需要将实验频率提升到每天100万次——大约每秒10次。每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百万个胶囊同样是一项巨大的工程挑战。

NIF整体而言相对低效还有一个重要的原因。“NIF并不是为了高效而设计的，”纽约伊萨卡康奈尔大学的核工程师戴夫·哈默（Dave Hammer）说。“它被设计成我们能建造的最大的激光器，是为了为我们提供核库存研究计划所需要的数据。”

从NIF所属的组织架构就能看出端倪。NIF属于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，后者是美国核安全局的下属单位，而美国核安全局则由一名美国能源部副部长专职管理。在美国，核武器、核反应堆都归能源部（United States Department of Energy，DOE）管理。曾在美国海军研究实验室担任激光聚变项目负责人的物理学家斯蒂芬·博德纳（Stephen Bodner）说：“现在最大的问题是看能源部接下来要做什么：是加强NIF对核武器的研究力度？还是转向面向聚变能源的研究？”

“人造太阳”呢？

实现核聚变主要有两条路线：惯性约束和磁约束。NIF属于惯性约束，用激光脉冲给核燃料加热加压实现核聚变。而平时我们在新闻上看到的“中国太阳”则属于磁约束装置。磁约束一般使用的是托卡马克（近年来，另一类名为“仿星器”的设备也获得了一定的影响力），它能利用强大的环形磁场将一大团高温等离子体束缚在其中，使其发生核聚变。从全世界范围来看，磁约束是更主流的方案。

过去两年中，中国和韩国的“人造太阳”不断刷新着高温、长时间运行的纪录——这是让磁约束核聚变实现点火、输出大于输入的关键手段。不过其实，中国和韩国的实验都是更大实验的一部分，都是为了更深度参与国际热核聚变实验堆（ITER）。

ITER结构示意图。图片来源：ITER

世界上最重要的托卡马克装置非ITER莫属了，它是由欧盟、美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国出资建设的国际合作项目。2020年7月28日，ITER在法国展开了总装任务。在计划中，ITER是一项将要持续20年的任务，最终任务目标是实现能量效率Q值达到10，输入50兆瓦的能量，输出500兆瓦的聚变能量。但ITER目前也面临着工期拖延的问题，而且，就算ITER真的实现了500兆瓦的能量输出，它也只是一个实验项目，而不是成熟的商业项目。

当然，核聚变并不只有国际合作项目。去年，我国立项了中国聚变工程实验堆（CFETR），计划在2035年开始开展大规模科学实验，在2050年建设聚变商用示范堆。

所以，虽然核聚变发电距离我们还很遥远，但至少也没有一直停留在“永远的50年”这一水平。在全世界科学家的努力下，可控核聚变已经离我们越来越近了。

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来源｜文章来源于微信公众号环球科学 2022-12-14 20:38 发表于北京

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