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　　文/新智元

　　來源/新智元（ID:AI_era）

　　【新智元導(dǎo)讀】昨晚，發(fā)布會正式召開，LLNL實驗室可控核聚變點火成功，人造太陽指日可待了？

　　醞釀了一整天的等待，可控核聚變的重磅消息終于被證實了。

　　在12月13日晚的新聞發(fā)布會上，美國能源部部長和LLNL的科學(xué)家們共同宣布了這項有關(guān)“無限清潔能源”的重大科學(xué)突破！

　　有史以來第一次，人類實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益，也就是說，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于了這一過程中消耗的能量——核聚變點火。而這也讓慣性聚變能（IFE）的科學(xué)基礎(chǔ)首次得到了證實。

　　據(jù)官方介紹，LLNL在向目標(biāo)提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。

　　對此，美國能源部長Jennifer M. Granholm表示：“這是一個歷史性的時刻，自此以后，游戲規(guī)則將會被永遠(yuǎn)改變。”

　　當(dāng)然，被改變的不只有清潔能源的未來，更有美國的軍事力量。

　　拜登政府表示，NIF這一里程碑式的突破，可以幫助美國在不進(jìn)行傳統(tǒng)核試驗的情況下保持核威懾力。

　　美國參議院多數(shù)黨領(lǐng)袖查爾斯·舒默也表示：“在今年的《國防授權(quán)法》中，ICF項目將獲得有史以來最高的撥款——超過6.24億美元，從而讓這個驚人的突破更進(jìn)一步。”

　　清潔能源的“圣杯”

　　核聚變被認(rèn)為是清潔能源生產(chǎn)領(lǐng)域的“圣杯”。因為它能夠為太陽等恒星提供動力，而且可以在幾乎沒有污染的情況下產(chǎn)生大量能量。

　　幾十年來，能夠接近這一圣杯，是全世界科學(xué)家的愿望。

　　而現(xiàn)在，這一圣杯被LLNL的科學(xué)家“摘下”了。

　　12月5日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學(xué)家在核聚變研究方面取得了重大突破，首次產(chǎn)生了能量凈增益。

　　不過，這次實驗產(chǎn)生的能量只夠燒開15-20壺水。

　　此外，盡管該實驗產(chǎn)生的能量比激光器輸入的能量高，但與激光器工作所需供能（約300兆焦耳）相比則低得多。

　　顯然，在投入大規(guī)模商用之前，這個過程還需要不斷重復(fù)和完善，而且它產(chǎn)生的能量也必須得到顯著提高才行。

　　但是想一想，前方可是“無限清潔能源”這一光明的目標(biāo)啊！

　　畢竟與核裂變（主要在核電站和原子彈中使用）相比，核聚變的放射性廢物要少得多，而且不會發(fā)生可能導(dǎo)致反應(yīng)堆熔毀的失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

　　對此，哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授Carlos Paz-Soldan表示，該實驗是人類在可控核聚變領(lǐng)域一個重要的里程碑。

　　因為它證明了：核聚變反應(yīng)的“凈能量增益”是確實可行的。

　　雖然內(nèi)爆在十億分之一秒內(nèi)就結(jié)束了，但這段時間足以為研究核武器的科學(xué)家提供重要數(shù)據(jù)。

　　LLNL的這個實驗，醞釀了至少有十年，并且曾在大約一年前，到達(dá)了一個里程碑。

　　在2021年8月的一次測試中，LLNL的激光簇的輸出達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的新水平，在100萬億分之一秒內(nèi)產(chǎn)生了10千萬億瓦的聚變功率。

　　上次的聚變反應(yīng)產(chǎn)生了激光發(fā)射能量的70%，而這次，輸出的能量完全大于了消耗的能量。

　　商業(yè)化：不用等五六十年

　　目前的核聚變反應(yīng)堆，通常使用以下兩種方法來產(chǎn)生所需的熱量：

• 磁約束反應(yīng)堆（托卡馬克環(huán)形反應(yīng)堆），除了輔助熱源外，還會使用磁鐵來加熱和容納氫原子；

• 基于激光的系統(tǒng)，則使用大量的激光脈沖來轟擊氫原子。

　　托卡馬克裝置的工作原理是，加熱到超過1億攝氏度時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氫同位素等離子體，它們將會碰撞，而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。超級磁鐵產(chǎn)生的磁場隨后會將等離子體包含起來，以防止其破壞反應(yīng)堆。

　　而兩種反應(yīng)堆的最大區(qū)別，在于聚變反應(yīng)所需的時間。

　　磁反應(yīng)堆可以使聚變過程持續(xù)更長時間，但需要更多的能量。

　　相比之下，基于激光的反應(yīng)堆，可以讓核聚變在很短的時間內(nèi)發(fā)生，而且現(xiàn)在已經(jīng)一定程度上跨過了凈能量增益的門檻。

　　但是，作為激光反應(yīng)堆代表的LLNL，雖然擁有迄今為止最強大的系統(tǒng)，能夠?qū)?92束激光束聚焦在一個目標(biāo)上，但每幾個小時才能發(fā)射一次。

　　而如果想要將聚變反應(yīng)堆應(yīng)用于商業(yè)發(fā)電，就需要讓激光器每秒加熱目標(biāo)10次。這并非根本不可能，但從工程角度來看，是非常困難的。

　　不過，此次實驗的成功，還是證明了核聚變反應(yīng)商業(yè)化的可能。

　　在發(fā)布會現(xiàn)場，美國能源部部長表示，核聚變的商業(yè)化，或許可能會在未來的“幾個”十年內(nèi)實現(xiàn)，但大概率不是之前說的50-60年。

　　到了那一天，人類可以產(chǎn)生幾乎無碳的電力，這對于地球的生態(tài)環(huán)境意義重大。

　　不僅如此，核聚變依賴的是宇宙中含量最豐富的燃料——氫，并且，氫的聚變副產(chǎn)品是相對溫和的元素氦。

　　在核裂變中，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可能會失控。但核聚變則完全不同，它只是開始得比較困難而已。

　　耗資35億美元的國家點火裝置

　　LLNL建造的國家點火裝置（NIP），耗資35億美元。

　　它的雛形誕生于60多年前。

　　在20世紀(jì)60年代，LLNL的一組先鋒科學(xué)家就作出假設(shè)：激光可以用來在實驗室環(huán)境中誘導(dǎo)核聚變。

　　在物理學(xué)家John Nuckolls的領(lǐng)導(dǎo)下，這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。

　　為了實現(xiàn)這一概念，LLNL建立了一系列越來越強大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。

　　NIF有一個體育場那么大，它強大的激光束，可以創(chuàng)造出像恒星和巨行星的核心，以及核武器爆炸時的溫度和壓力。

　　在此次實驗中，激光器模仿了太陽中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

　　具體來說，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

　　激光在進(jìn)入環(huán)空器后，會擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽中心還熱，并將其壓縮到地球大氣層的1000億倍以上。

　　高能激光會使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。

　　在內(nèi)爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——也就是“點火”，隨之便會放出大量能量。

　　不過，對于美國來說更重要的是，那些從事核儲備的科學(xué)家可以繞過因《全面禁止核試驗條約》而停止的地下核爆，轉(zhuǎn)而以較小的規(guī)模進(jìn)行核反應(yīng)實驗，并從中收集數(shù)據(jù)。

　　LLNL的武器物理和設(shè)計項目主任Mark Herrmann表示，這種輸出，即30000萬億瓦特的功率，本身就創(chuàng)造了非常極端的環(huán)境，更加接近于核武器爆炸。

　　有分析人士也指出，作為武器的氫彈中的氘氚是凝聚態(tài)，并用原子彈壓縮實現(xiàn)瞬時整體核反應(yīng)。在激光慣性約束產(chǎn)生核聚變中，氘氚也是凝聚態(tài)，不同點是用激光壓縮。如此一來便開辟了研究氫彈的新途徑。

　　“核聚變”與“核裂變”

　　那么，還處在研究階段的核聚變與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的核裂變，究竟有什么不同呢？

　　左：核裂變；右：核聚變

　　什么是核裂變？

　　就像細(xì)胞分裂一樣，在核裂變中，一個原子會分裂成更小的粒子，并放出原子核的結(jié)合能。

　　這種能量將會以熱能和輻射的形式釋放，其中熱能被用來將水加熱成蒸汽，進(jìn)而使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

　　在實際操作中，核電站首先會將鈾置于鋼制反應(yīng)堆容器內(nèi)的密封金屬圓筒中，然后向鈾原子發(fā)射中子，使其分裂并釋放出更多的中子。這些中子擊中其他原子，形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，分裂出更多的原子，以熱和輻射的形式釋放能量。

　　作為靶核的鈾235原子會分裂成氪和鋇原子核，同時還有三個額外的中子，通過撞擊其他鈾235原子產(chǎn)生裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

　　什么是核聚變？

　　核聚變是結(jié)合原子核以產(chǎn)生能量的過程，其釋放的能量是裂變的數(shù)倍，并且不會產(chǎn)生長期的放射性廢物。

　　聚變核電站的運行方式與裂變核電站類似，利用原子反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來加熱水、產(chǎn)生蒸汽、驅(qū)動渦輪機(jī)和發(fā)電，但要在聚變反應(yīng)堆中創(chuàng)造發(fā)電條件，同時滿足能量消耗低于能量生成，一直是個難以克服的挑戰(zhàn)。

　　核聚變反應(yīng)堆通常使用一種可從海水中提取的氫同位素，稱為氘（氫-2）。當(dāng)受到高熱和高壓時，電子被迫離開氘原子，產(chǎn)生等離子體。

　　這種等離子體是一種過熱的電離氣體，需要用強磁場來控制，因為它的溫度可以達(dá)到1億攝氏度以上，是太陽核心溫度的十倍。

　　輔助加熱系統(tǒng)將溫度提高到核聚變所需的水平（1.5-3億攝氏度），通電的等離子體粒子發(fā)生碰撞并加熱。這些條件允許高能粒子在碰撞時克服其自然電磁排斥力，將它們?nèi)诤显谝黄鸩⑨尫懦鼍薮蟮哪芰俊?/p>

　　關(guān)鍵區(qū)別是什么？

　　盡管核聚變和核裂變都使用原子能，但這兩個過程之間有一些關(guān)鍵的區(qū)別：

• 核裂變在原子分裂時釋放能量，而核聚變在原子結(jié)合時釋放能量；

• 核聚變反應(yīng)釋放的能量比核裂變更多；

• 核聚變不會像核裂變那樣產(chǎn)生有害的長期放射性廢物；

• 核聚變的完成需要更多的能量。

　　總結(jié)一下

　　雖然，現(xiàn)在的我們需要數(shù)十億美元，才能煮沸15-20個水壺里的水。

　　雖然，核聚變要真正應(yīng)用于發(fā)電站，或許還需要數(shù)十年的研究和突破。

　　但是在60年的尺度上，人類已經(jīng)取得了重大的突破。

　　對于未來，我們也應(yīng)抱有更多的想象力。