美國(guó)能源部宣布重大核聚變突破：國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)凈能量增益

美國(guó)的物理學(xué)家和能源部官員透露了一項(xiàng)突破，稱(chēng)有朝一日可能會(huì)產(chǎn)生真正的零碳能源。

上圖：激光照射到容納目標(biāo)燃料艙的空腔。

美國(guó)能源部本周二上午宣布，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）的科學(xué)家在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了凈能量增益，這是人類(lèi)尋求可靠、零碳能源的一個(gè)引以為豪的目標(biāo)。

(資料圖)

成功的聚變反應(yīng)并不是什么新鮮事，但該領(lǐng)域從一開(kāi)始就一直在努力解決一個(gè)大問(wèn)題：科學(xué)家們無(wú)法從反應(yīng)中獲得比他們必須投入的更多的能量。但現(xiàn)在，這已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》周日最先報(bào)道了美國(guó)加州國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility）的這一重大結(jié)果；這個(gè)消息今天得到了美政府官員的證實(shí)。在美國(guó)能源部新聞發(fā)布會(huì)上，科學(xué)家和政策專(zhuān)家描述了最近的這項(xiàng)突破。

核安全副部長(zhǎng)兼國(guó)家核安全管理局局長(zhǎng)吉爾·赫魯比（Jill Hruby）在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火意味著科學(xué)“向可能徹底改變世界的清潔能源邁出了初步的試探性步驟”。

美國(guó)能源部證實(shí)，該設(shè)施于美國(guó)東部時(shí)間12月5日凌晨1點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火。美國(guó)國(guó)家核安全管理局（National Nuclear Security Administration）負(fù)責(zé)國(guó)防項(xiàng)目的副局長(zhǎng)馬文·亞當(dāng)斯（Marvin Adams）直言不諱地解釋了這一結(jié)果：“大約2兆焦耳輸入，大約3兆焦耳輸出?！?/p>

核聚變是一種熱核反應(yīng)，兩個(gè)輕原子核融合形成一個(gè)較重的原子核。這個(gè)反應(yīng)釋放出巨大的能量 —— 愛(ài)因斯坦的 E = mc2 在起作用。核聚變是一種為恒星提供動(dòng)力的反應(yīng)，如果人類(lèi)能夠可靠而有效地在地球上重現(xiàn)這種反應(yīng)，我們就可以大幅減少（如果不是完全放棄）骯臟的碳基燃料來(lái)源。（核電站依賴(lài)于核裂變，這是一種不同的過(guò)程，產(chǎn)生的能量比核聚變少，并會(huì)產(chǎn)生放射性廢物，而核聚變則不會(huì)。）

核聚變可以通過(guò)不同的方式實(shí)現(xiàn)。國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）是最近取得突破的地點(diǎn)，它進(jìn)行基于激光的核聚變。在最近的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)將192束激光聚焦在一個(gè)胡椒粒大小的目標(biāo)附近，這個(gè)目標(biāo)位于比鏡子光滑100倍的鉆石殼（靶倉(cāng)）中，向目標(biāo)傳遞的能量驚人，比你眨眼的速度快10億倍。極端的溫度（超過(guò)1億華氏度）和壓力（超過(guò)1000億個(gè)地球大氣壓）在目標(biāo)中誘導(dǎo)核聚變。

上圖：激光慣性約束的靶倉(cāng)。

馬文·亞當(dāng)斯說(shuō)：“這一切以前都發(fā)生過(guò)，上百次了。但上周，他們第一次設(shè)計(jì)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使聚變?nèi)剂媳３肿銐虻臏囟取⒆銐虻拿芏群妥銐虻膱A形，足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而將它點(diǎn)燃。它產(chǎn)生的能量比激光沉積的能量還要多?！?/p>

激光核聚變只是模擬太陽(yáng)強(qiáng)烈物理現(xiàn)象的一種方式?？茖W(xué)家還可以在托卡馬克和恒星器中催化核聚變，這些甜甜圈和油條形狀的容器可以產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)限制等離子體。激光核聚變是短暫的，發(fā)生在高壓和高密度下，而磁聚變?cè)诘蛪毫偷兔芏认鹿ぷ骱荛L(zhǎng)一段時(shí)間。

麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心的物理學(xué)家、麻省理工學(xué)院與CFS合作項(xiàng)目的成員馬丁·格林沃爾德（Martin Greenwald）表示，這一結(jié)果是“該領(lǐng)域成熟的標(biāo)志，也是基礎(chǔ)科學(xué)得到驗(yàn)證的標(biāo)志”。但是，他說(shuō)，要使這門(mén)科學(xué)在更大范圍內(nèi)成為一種實(shí)用的能源，還存在重大障礙。

馬丁·格林沃爾德補(bǔ)充說(shuō)：“雖然這是一項(xiàng)技術(shù)杰作，但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所采用的一般方法需要技術(shù)的非凡進(jìn)步，才能將其用作能源。對(duì)我們?cè)S多人來(lái)說(shuō)，這似乎不太可能導(dǎo)致一個(gè)實(shí)用的核聚變動(dòng)力系統(tǒng)。因此，我們正在尋求磁約束方法。”

在托卡馬克中證明磁聚變技術(shù)可行性的最大努力之一是ITER，它在完成時(shí)將包含有史以來(lái)最大的超導(dǎo)磁體，重達(dá)23000噸。ITER的目標(biāo)是產(chǎn)生比產(chǎn)生反應(yīng)所需能量多10倍的能量。

同時(shí)，ITER的一位發(fā)言人也宣稱(chēng) NIF 的結(jié)果是“核聚變能源的歷史性成就”。

核聚變研究的一個(gè)長(zhǎng)期說(shuō)法是，通過(guò)核聚變實(shí)現(xiàn)清潔能源革命總是幾十年以后的事。而勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾（Kim Budil）則表示：“我不認(rèn)為是60年，也不認(rèn)為是50年。我認(rèn)為它正在走向前景，通過(guò)共同努力和投資，對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行幾十年的研究，我們就能夠建造一座發(fā)電廠(chǎng)?！?/p>

事情似乎變得越多，它們就越保持不變。

核聚變中最重要的字母可能是Q，它表示用于反應(yīng)的功率與輸出功率的比率。在今天之前，JET托卡馬克保持著能量輸出的紀(jì)錄，Q值為0.67，這是早在20世紀(jì)90年代就創(chuàng)造的。

盡管?chē)?guó)家點(diǎn)火設(shè)備的激光聚變是一個(gè)非常不同的實(shí)驗(yàn)裝置，但它現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了Q值為1。

上圖：國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施的靶室。

但上周的點(diǎn)火有一些重大的警告：首先，需要大量的能量來(lái)為這些激光器供電，正如國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾所說(shuō)，大約需要300兆焦耳的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)激光向目標(biāo)發(fā)射2兆焦耳的能量，產(chǎn)生3兆焦耳的聚變能量。

布迪爾說(shuō)：“國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施一直致力于創(chuàng)造這第一步。如果我們不能在實(shí)驗(yàn)室里點(diǎn)燃容器，你就看不到通向慣性約束聚變能源工廠(chǎng)的途徑。所以這是必要的第一步?！?/p>

“現(xiàn)在我們有了一個(gè)可以點(diǎn)火的容器，我們需要弄清楚，我們能讓它更簡(jiǎn)單嗎？”布迪爾補(bǔ)充道。“我們能開(kāi)始讓這個(gè)過(guò)程變得更容易、更可重復(fù)嗎？我們能開(kāi)始一天多做幾次嗎？”

當(dāng)然，12月5日點(diǎn)火的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行更深入的分析，這有望為其他實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)提供如何實(shí)現(xiàn)這些多重目標(biāo)的信息。在新聞發(fā)布會(huì)后舉行的技術(shù)小組會(huì)議上，Target 制造項(xiàng)目經(jīng)理邁克爾·斯塔德曼（Michael Stadermann）表示，12月5日點(diǎn)火裝置使用的殼存在缺陷，這意味著該團(tuán)隊(duì)希望在不久的將來(lái)也能達(dá)到或改進(jìn)相同的結(jié)果。

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關(guān)鍵詞： 托卡馬克 等離子體