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美国宣布实现“核聚变点火”,颠覆性能源革命要到来吗?


北京时间1213日,美国能源部宣布了一项重大科学进展。美国能源部下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)的一个团队首次成功在可控核聚变反应中点火即在实验中做到产生的能量大于输入的能量,实现净能量增益

核聚变研究自 20 世纪 50 年代初就一直在进行,这是实验室中首次发现聚变产生的能量超过消耗的能量。纽约罗切斯特大学核聚变实验室的前主任迈克尔·坎贝尔(Michael Campbell)说。
安全可控的核聚变技术一直是科学界的攻坚对象,这次的实验结果,让人们看到了核聚变商业化的可能性。美国能源部长詹妮弗格兰霍姆(Jennifer Granholm)将这一突破形容为“21世纪最令人印象深刻的科学壮举之一”。她在发布会上表示,核聚变的商业化,可能会在未来几十年内实现,但大概率不是之前说的50—60年。到了那一天,人类可以使用几乎无碳的电力,这对于地球的生态环境意义重大。

一次具有里程碑意义的实验


NIF惯性约束聚变反应的原理。图源/金融时报
这次成功的实验开始于美国当地时间125日。研究人员将 192 束巨型激光射入一个橡皮擦大小的圆柱体,强烈的能量将容器加热到超过 300 万摄氏度,容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒:氘和氚。氘和氚在非常高的压力和温度下迅速聚在一起,引发了类似火箭的内爆。
在持续不到十亿分之一秒的微小火焰中,激光输入了2.05兆焦耳能量,聚变的原子核释放出 3.15 兆焦耳的能量,后者除以前者大于1,实现净能量增益。
在此实验之前,让核聚变反应产生的能量大于产生它所需的能量,一直是科学界难以攻克的高峰,也是科学家们自原子时代就不停探索的课题。LLNL实验室此前最好的成绩,仅达到约70%的净能量增益。用LLNL实验室主任金伯利·布迪尔(Kimberly Budil )的话来说,驱动科学家跨越这一阻碍的,是60年持之以恒的付出。
尽管许多科学家认为核聚变发电站还需要几十年的时间,但这项技术的潜力不容忽视。首先,核聚变反应不需要燃烧化石燃料,因而不排放碳。此外,核聚变也不产生长寿命的放射性废物,而这正是现行核裂变核电站“令人头疼”的一点。另外,从原理上看,核聚变所产生的能量比核裂变反应效率更高,平均每个核子放出的能量是核裂变的3-4倍,一小杯氢燃料理论上可以为一所房子提供数百年的能源。

因而,核聚变产生的能量被视为世界上最清洁、安全的能源之一,被
比做清洁能源的圣杯。美国国会议员唐·拜耳Don Beyer)说:核聚变有可能让世界上更多人口摆脱贫困,这比火种发明以来的任何事情都要多。
拜登政府投入近3700亿美元用于低碳能源的补贴,以努力减少排放,期冀赢得新一轮全球能源革命的胜利。大多数气候科学家和政策制定者也表示,要实现全球升温在2摄氏度以内的目标,或者更高的1.5摄氏度的目标,世界必须在 2050 年之前实现碳中和。
商业化仍路漫漫


为了产生聚变点火,国家点火装置的激光能量在空腔内转化为 X 射线,然后压缩燃料舱直至内爆,产生高温高压等离子体。图源/LLNL官网
虽然是个好消息,但这一结果距离发电所需的实际能量增益,还有很长的路要走,英国剑桥大学的核能研究员托尼Tony Roulstone)在给科学媒体中心的一份声明中表示。
该实验结果虽然实现了研究人员所说的科学收支平衡或能量增益,但并未实现工程收支平衡:实验最终产生了大约 3 兆焦耳的能量,但 NIF 产生短暂的2.05兆焦耳激光脉冲,需要从电网中提取 300 兆焦耳的能量。这意味着 NIF 实验的效率需要提高一百倍才能完全收回成本。

LLNL武器物理和设计项目主任马克·赫尔曼(Mark Herrmann)在接受《纽约时报》采访时也指出,可能需要增益30100倍才能让聚变能发电厂成为可能。 
这就像我们要花费多少能量来煮沸 10 壶水。” 伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任杰里米·奇滕登 (Jeremy Chittenden) 在接受CNN采访时表示。此次实验中释放的3.15兆焦耳的能量大概可以烧开10壶水(1.1兆焦耳大约是 0.3千瓦时,烧开一壶水大约需要0.2千瓦时),他继续表示,为了把它变成一个发电站,我们需要让它更加可持续,我们需要大幅降低成本。
“可重复”是聚变能商业化的另一堵点。美国另一国家实验室聚变能部门的主任米奇·韦德(Mickey Wade)指出,现在的激光器需要几个小时才能冷却,这使得激光轰击发电厂的设想(虽然听起来非常棒)完全不可能。

他认为,未来的
惯性安全壳反应堆
需要像汽车发动机一样工作,每秒产生几次微型爆炸。根据韦德的看法,接下来聚变能商业化要做的是延长这些反应的时间,至少维持在数十秒甚至数百秒。例如,ITER(国际热核聚变实验反应堆)的目标是连续维持聚变反应
至少 400
下一个可能性在哪里?


2022 年 12 月 5 日,LLNL 国家点火设施的靶室,其中 192 束激光束将超过 200 万焦耳的紫外线能量传送到一个微小的燃料颗粒,以产生聚变点火。图源/LLNL官网

曾在华盛顿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) 认为,现在最大的问题是美国能源部接下来要做什么,是加倍在 NIF 进行武器研究,还是转向面向聚变能研究的激光项目。

国家点火设施(NIF)计划起初不是为了制造电力而设计;相反,它是美国核武器库存管理计划的一部分。“NIF并不是为了高效而设计的,它被设计成最大的激光器,为我们提供库存管理计划所需的数据。马克·赫尔曼指出。诸多专家认为,聚变能实验的下一个重大进展不太可能来自 NIF 。
那新的突破可能从哪里产生?从国家到公司,源源不断的资金正涌向核聚变相关项目。据美国聚变工业协会数据,截至2022年年底,核聚变公司报告的私人承诺投资总额超过47亿美元。同时,美国联邦资金的支持也有所增加。拜登签署的《通胀削减法案》为聚变项目提供了数百万的新资金。白宫今年3月召开了首次核聚变峰会,在峰会上制定了聚变技术商业化的 10 年计划。 
斯蒂芬·博德纳表示,他过去一直对核聚变持谨慎态度,但在过去几年里,他开始相信,如果美国将重点从“武器”转移到“能源生产”,聚变计划就有可能成功。
在这场大型的科研竞赛中,美国外的其他大国也一直没有缺席。
2020年,被称为“世界上最大的核聚变项目”ITER(国际热核聚变实验反应堆)在经历近10年的延宕后,在法国开始组装。该项目由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七个成员国共同参与,耗资逾220亿美元,旨在探索清洁聚变能规模生产的可能性。
中国也在不断探索自主可控的核聚变技术201712,中国聚变工程实验堆(CFETR)在安徽合肥正式启动工程设计,按计划,预计到2035年,该项目将建成聚变工程实验堆,并开始大规模科学实验。

撰文:《中国报道》见习记者 李士萌

资料来源:自然、金融时报、卫报等

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