美科学家首次在核聚变反应中实现“净能量增益” 无限清洁能源或将成为现实？

来源： 国防科技要闻

作者：聂永喜

编者按：12月13日，美国能源部和美国能源部国家核安全局宣布，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研究团队首次在核聚变实验中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆称这一突破是一项里程碑式的成就，是几十年来的重大科学突破，将为国防进步和清洁能源的未来铺平道路。

▲12月13日，美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆在发布会上讲话

什么是聚变？

    

   

核聚变的工作原理：让两个原子核（氘和氚）接受摄氏1亿度或以上的极度高温，使其聚合成一个新的更大的原子核，释放出巨大能量。与核裂变不同，该过程不会产生长寿命放射性废料，且不排碳。科学家预估一小杯燃料可以为一所房子提供800多年的清洁能源。

▲核聚变原理

美国科学家取得了什么成果？

    

   

12月5日，实验在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制的“国家点火装置 ”（激光核聚变装置）中进行，该设施使用192台激光器照射一颗注入氘氚小“靶丸”，并向目标输入2.05兆焦耳的能量，在极端高温高压环境下，“靶丸”内爆实现聚变点火。这一技术路线称为“惯性约束聚变”。实验室分析表明，此次反应释放了大约3.15兆焦耳的能量，额外产生了1.1兆焦耳的能量。这是人类首次在可控核聚变实验中实现“净能量增益”，既 Q＞1（Q=输出能量/输入能量）。

▲激光器照射一颗注入氘氚的小“靶丸”

他们是否掌握了核聚变商用技术?

    

   

几十年来，实现“净能量增益”一直被视为证明商业聚变电站可行的关键一步。然而，仍有几个困难需要克服。

首先，在此种情况下，“净能量增益”仅将输出能量与从激光器所获得的输入能量进行比较，而未计算为系统供电的总量。事实上，每次激光照射需要330兆焦耳的电能，以400微秒的脉冲串形式传送。

其次，为美国国家点火装置的激光提供动力的系统已经老化，且不是为了最大的能源效率而设计（美国为研制核武器而设计）。科学家预估，核聚变商用将需要产生30到100倍的能量的聚变反应。

第三，美国国家点火装置每天最多只能发射一次，而商用发电厂可能需要一秒钟完成几次发射。

第四，成本高昂，美国国家点火装置耗资35亿美元打造。

▲技术人员进入美国国家点火装置内部进行检查和维护

未来

    

   

核科学家表示，该项成就意义非凡，是人类迈向清洁能源重要的一步，但在可控聚变技术商用之前，仍有很多科学工作要做。

麻省理工学院核科学与工程系主任安妮怀特表示，美国或英国的项目“都没有将聚变转化为电能的硬件和规划”。  

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任 Kim Budil 表示，在商业化之前，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服。核聚变能商业化可能需要“几十年”时间。

英国剑桥大学的核能研究员罗尔斯登表示， “虽然是个好消息，但这一结果与发电所需的实际能量增益还有很长的路要走”。

等离子物理学家梅兰妮·温德里奇指出，耗资 35 亿美元建造的美国国家点火装置（NIF）已有 13 年历史，其基础是1980年代开发的激光技术。如果能用如此陈旧的技术都能做到这一点，那么研制出新设备就有无限可能。