可控核聚變里程碑！美能源部宣布世界首次激光核聚變點火成功

當?shù)貢r間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL），首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。

據(jù)悉，實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆在一份聲明中稱，這一突破是一項“里程碑式的成就”。這項成果預(yù)計將可能幫助人類在實現(xiàn)零碳排放能源的進程中邁出關(guān)鍵一步。

(資料圖)

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早就將目光投向了“可控核聚變”

在這個寒冷的冬天，相信很多人都體會到了能源的重要性。

為了方便、高效地獲得清潔能源，人們很早就將目光投向了核能技術(shù)，尤其是被稱為清潔能源圣杯的“可控核聚變”。

核聚變，又稱融合反應(yīng)，是指將兩個較輕的核結(jié)合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。兩個較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量耗損而釋放出巨大的能量，這一能量是核裂變反應(yīng)的四倍。

之前，我們已經(jīng)在氫彈中見識過核聚變的威力。但氫彈屬于不可控核聚變，不能用來發(fā)電，而受控核聚變則是將核聚變反應(yīng)控制在安全范圍，也即人們所說的“人造太陽”。

在太陽中，其巨大的引力所產(chǎn)生的極端壓力為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件，它把眾多原子核約束在一個小空間內(nèi)，同時讓它們在超過 1000 萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。一旦原子核克服了這種排斥力并進入彼此非常接近的范圍，它們之間的核力吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。

在地球上，我們需要超過 1 億攝氏度的溫度和強大的壓力，以使氘和氚發(fā)生聚變，還需要充分的約束，使等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長的時間，以獲得凈功率增益。也就是說，雖然核聚變釋放的能量驚人，但整個可控核聚變過程也消耗了大量的能量，避免這種消耗的訣竅是讓反應(yīng)過程自我維持，使得輸出的能量比輸入的能量多，并且讓這個過程持續(xù)而不是短暫地進行一次。如此一來，聚變能才能成為可用的能源。這是國際上公認的可控核聚變難題。

在過去的幾十年里，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（比如中國的東方超環(huán) (EAST) 和國際熱核聚變實驗堆(ITER)），另外還有仿星器，反向場箍縮及磁鏡等裝置。另一平行研究分支是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。

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如何評價此次NIF的成就？

12月13日，英國《金融時報》等媒體報道稱，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）已經(jīng)在一項使用激光的慣性約束聚變實驗中取得了重大突破，首次實現(xiàn)了聚變反應(yīng)的凈能量增益。

報道稱，這項實驗是通過用世界上最大的激光撞擊一個微小的等離子體顆粒來實現(xiàn)的。實驗裝置由近 200 臺激光器組成，有三個足球場那么大，用高能量轟擊一個小點，以啟動核聚變反應(yīng)。

圖中所示為空腔膠囊內(nèi)的目標彈丸，激光束從兩端的開口進入。光束將目標壓縮并加熱到發(fā)生核聚變的必要條件。

至于實驗的細節(jié)，美國能源部已在美國太平洋時間周二上午 7 點（北京時間周二 23 點）左右進行直播介紹。

倫敦帝國理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任Jeremy Chittenden評價說：“這是一個真正的突破性時刻，非常令人興奮?！?/p>

但他也表示，盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但與為電網(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。

“這相當于燒開 10 壺水。為了把它變成一個發(fā)電站，我們需要獲得更多的能源，我們需要多得多的能源?！盋hittenden說。

“雖然這一結(jié)果是自 1930 年代以來科學(xué)探索的一個重要里程碑，但進入利弗莫爾反應(yīng)的能量與從中獲得的能量之比需要提高約 100 倍，才能產(chǎn)生商業(yè)規(guī)模的電力?！币晃幌⑷耸堪l(fā)表了類似的看法。

幾十年來，科學(xué)家們一直在試驗聚變反應(yīng)，直到現(xiàn)在他們才能夠創(chuàng)造出一種產(chǎn)生的能量多于消耗的能量的裝置。盡管成就顯著，但前方仍面臨巨大的工程和科學(xué)挑戰(zhàn)。就拿發(fā)電站來說，他們要考慮如何經(jīng)濟地控制熱量，以及如何保持激光持續(xù)發(fā)射等問題，不過這項研究也利好聚變發(fā)電廠的發(fā)展，包括英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司、加拿大核聚變技術(shù)開發(fā)商General Fusion等。

將來如果核聚變實現(xiàn)商業(yè)化（支持者稱這可能在十年或更長時間內(nèi)發(fā)生）會帶來很多好處，它能產(chǎn)生幾乎無碳的電力，這有助于應(yīng)對氣候變化，不會像裂變那樣產(chǎn)生放射性核廢料反應(yīng)堆。

來源：綜合自央視新聞、微信公眾號“機器之心”

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關(guān)鍵詞： 等離子體 美能源部