核聚變時代到來？美國科學家圍繞核聚變再次取得突破性進展

據金融時報8月7日消息，據三位了解初步結果的人士稱，位于加利福尼亞州的聯邦勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的研究人員去年首次實現了核聚變點火，他們在7月30日的實驗中再次實現了這一突破，產生了去年比12月更高的能量輸出。該實驗室證實，其激光設施再次實現了能量增益，并補充說，正在對結果進行分析。

位于加利福尼亞州的聯邦勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室網站截圖

(資料圖片僅供參考)

在核聚變反應中獲得了凈能量增益，這一結果應該使人們更加樂觀地認為，在實現無限、零碳能源的夢想方面正在取得進展。

自20世紀50年代以來，物理學家們一直試圖利用為太陽提供能量的核聚變反應，但直到去年12月，還沒有任何研究小組能夠從該反應中產生比其消耗更多的能量--這種情況也被稱為點火。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置 （圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室）

該實驗室補充說，自2022年12月在國家點火裝置上首次演示核聚變點火以來，我們一直在繼續進行實驗，研究這一令人興奮的新科學機制。

據這個報道解釋，核聚變是將兩種氫同位素（通常是氘和氚）加熱到極高溫度，使原子核熔合，釋放出氦和以中子形式存在的大量能量。

為了產生聚變點火，國家點火設施的激光能量在霍爾raum內轉換為X射線，然后壓縮燃料艙直到它內爆，產生高溫，高壓等離子體。?（圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室）

盡管許多科學家認為核聚變發電站還需要幾十年的時間，但該技術的潛力卻不容忽視。核聚變反應不排碳，不產生長壽命的放射性廢物，理論上，一小杯氫燃料可以為一棟房子提供數百年的電力。

據國際原子能機構的定義，核聚變反應是模仿太陽的能量轉換過程，使較輕的原子核結合成較重的原子核。這一過程會釋放出巨大能量。理論上，幾克反應物就可產生一太（即一萬億）焦耳的能量，而這大約是發達國家一個人在60年內所需的能量。此外，核聚變反應不會排放二氧化碳和核廢料。

據紅星新聞，2022年12月14日報道，三名知情人員透露，美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家在使用激光的聚變實驗中首次實現了凈能量增益：聚變反應后，得到的2.5兆焦耳能量比投入的2.1兆焦耳能量更多，新增約20%能量。該實驗室稱，“然而，確切的產量仍在確定中，在該過程完成之前發布信息是不準確的。”

知情人士透露，研究人員使用了2.1兆焦能量的反應物，釋放了2.5兆焦耳的能量。但實驗室稱，具體的輸出仍在計算中，雖然“超出預期”，但不一定超過2.1兆焦。兩名了解該實驗結果的消息人士稱，由于能量輸出高于預期，一些設備損壞，后續分析變得很復雜。如果確實超過2.1兆焦，這意味著人類首次在核聚變反應中實現了凈能量增益。

倫敦帝國理工學院等離子體物理學教授杰里米-奇坦頓教授認為，如果報道是真的，那就是一個真正的突破性時刻，“非常令人興奮。”

什么是核聚變？

據國際原子能組織機構，核聚變是兩個輕原子核結合形成一個較重的原子核，同時釋放大量能量的過程。

聚變反應發生在一種稱為等離子體的物質狀態中，等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的熱帶電氣體，具有不同于固體、液體或氣體的獨特性質。

太陽和所有其他恒星一樣，都是由這種反應驅動的。為了在我們的陽光下融合，原子核需要在大約一千萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞。高溫為它們提供了足夠的能量來克服相互的電斥力。一旦原子核彼此非常接近，它們之間的吸引力核力將超過電排斥力并允許它們聚變。為此，原子核必須被限制在一個小空間內，以增加碰撞的機會。在太陽中，其巨大引力產生的極端壓力為聚變創造了條件。

科學家為什么要研究聚變能？

自從核聚變理論在1930年代被理解以來，科學家——以及越來越多的工程師——一直在尋求重建和利用它。這是因為如果核聚變能夠以工業規模在地球上復制，它可以提供幾乎無限的清潔，安全和負擔得起的能源來滿足世界的需求。

聚變每公斤燃料產生的能量是裂變（用于核電站）的四倍，比燃燒石油或煤炭多近四百萬倍。

大多數正在開發的聚變反應堆概念將使用氘和氚的混合物-含有額外中子的氫原子。從理論上講，只需幾克這些反應物，就可以產生太焦耳的能量，這大約是發達國家一個人六十年所需的能量。

圖片來源：IAEA（國際原子能組織機構）

聚變燃料豐富且易于獲得：氘可以從海水中廉價提取，氚可能由聚變產生的中子與天然豐富的鋰反應產生。這些燃料供應將持續數百萬年。未來的聚變反應堆也是本質安全的，預計不會產生高活性或長壽命的核廢料。此外，由于聚變過程難以啟動和維護，因此不存在反應失控和熔化的風險;聚變只能在嚴格的操作條件下發生，在嚴格的操作條件下（例如，在事故或系統故障的情況下），等離子體將自然終止，非常迅速地失去能量并在對反應堆造成任何持續損壞之前熄滅。

重要的是，核聚變-就像裂變一樣-不會向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體，因此從本世紀下半葉開始，它可能是低碳電力的長期來源。

核聚變和等離子體物理研究在50多個國家進行，聚變反應在許多實驗中已經成功產生，盡管到目前為止沒有產生超過啟動反應過程所需的能量。專家們提出了不同的設計和基于磁鐵的聚變機器，如仿星器和托卡馬克，但也包括依賴激光、線性設備和先進燃料的方法。

圖片來源：IAEA（國際原子能組織機構）

成功推出聚變能源需要多長時間，將取決于通過全球伙伴關系和協作調動資源，以及該行業開發、驗證和鑒定新興聚變技術的速度。另一個重要問題是并行發展必要的核基礎設施，例如與實現這一未來能源相關的要求、標準和良好實踐。

世界上最大的國際聚變設施ITER在法國的組裝于2020年開始。ITER是一個國際項目，旨在證明聚變能生產的科學和技術可行性，并為未來的發電示范聚變發電廠（稱為DEMOs）證明技術和概念。ITER將在本十年的下半葉開始進行首次實驗，全功率實驗計劃于2036年開始。

不同國家的DEMO時間表各不相同，但專家們的共識是，到2050年，一座發電聚變發電廠可以建成并投入運營。與此同時，許多私營商業企業也在開發聚變發電廠的概念方面取得了長足的進步，利用多年來公共資助的研發所產生的專有技術，并更快地提出聚變發電。

每日經濟新聞綜合金融時報、紅星新聞、美國聯邦勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室、國際原子能組織機構

封面圖片來源：：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室