核聚变发电研究突破“聚变点火”里程碑

By Justine Calma / @justcalma

Updated Dec 14, 2022, 1:10 AM GMT+8

研究人员首次创造了一种能产生净能量的聚变反应。加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究结果，标志着在利用核聚变产生清洁能源的漫长道路上迈出了重要一步。

白宫科技政策办公室主任Arati Prabhakar今天在华盛顿特区举行的新闻发布会上宣布了这一成就，他说:“上周，你瞧，他们确实向一个燃料颗粒****了一堆激光，聚变点火释放的能量比激光进入的能量还要多。”“我只是认为这是一个非常好的例子，证明了毅力真的可以取得成功。”

“这是毅力所能成就的伟大榜样”

当原子相互碰撞时，核聚变就发生了，“聚变”产生一个更重的原子，并在这个过程中释放能量。在太阳和其他恒星中，氢原子核融合在一起，产生氦并产生巨大的能量。为了在地球上实现核聚变，人类必须将原子加热到极高的温度——数百万摄氏度，这就是为什么达到净能量增益是如此令人生畏的原因。

在这种情况下，当地时间12月5日凌晨1点03分，国家实验室使用了192束强大的激光束，击中了一个只有胡椒粒大小的氢同位素固体目标。目标被包裹在一个精心制作的钻石外壳中。

            一位艺术家对NIF实验中使用的燃料胶囊的插图。            图片:LLNL

“今天的贝壳几乎是完美的圆形。它们比镜子光滑100倍，它们有一个微小的管道，直径约为头发的50分之一，燃料通过这个管道被填充到外壳中，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的目标制造项目经理迈克尔·斯塔德曼说。“你可以想象，完美真的很难，所以我们还没有达到那一步——我们的壳上还有小瑕疵，比细菌还小。”

实验产生了3.15兆焦耳的能量，比用于触发反应的2.05兆焦耳的激光多出了50%左右。通过这样做，研究人员达到了科学的能量收支平衡，实现了所谓的“聚变点火”。

利用核聚变可能是革命性的——给人们提供丰富的能源，而不会产生温室气体排放或长期放射性废物的严重副作用。然而，要做到这一点，需要克服巨大的工程障碍。经过几十年的试验，今天的声明代表着克服其中一个障碍的一个小而重要的胜利。但在核聚变实现清洁能源梦想之前，还有很长很长的路要走。

自20世纪50年代以来，美国政府一直在资助核聚变能源研究。在世界各地，这种追求已经获得了数百亿美元的资金。到去年年底，英国联合欧洲环面(JET)的科学家已经从核聚变中产生了创纪录的59兆焦耳能量。最大的问题是，到目前为止，实验室里的核聚变产生的能量还不能超过反应发生时所需的能量。

这是一个重要的里程碑，但仍有一些重要的警告需要注意。关键的一点是，能源部的胜利仅仅是基于激光的输出，而激光的效率非常低。它需要从电网中获得300兆焦耳的能量来获得这2兆焦耳的激光能量。因此，今天的公告取决于“净能源收益”的有限定义。

激光并不是实现核聚变的唯一途径。包括JET在内的其他努力涉及一种名为托卡马克的磁性装置，用于限制和加热等离子体。无论采用何种方法，我们都可能在几十年后才能以这种方式在发电厂发电。要实现这一目标，需要更多的资金和渐进的胜利，今天的声明就是其中之一。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil在新闻发布会上说:“有了真正的投资和真正的关注，这个时间表会越来越近。”“在很长一段时间里，我们一直处于一个没有接近的位置，对吧?因为我们需要第一个基本步骤。所以我们今天处于一个很好的位置，可以开始了解下一步需要做些什么。”

首先，科学家们需要再次达到点火的目的。“这是一个点火胶囊，一次。要实现商业核聚变能源，你必须做很多事情;你必须能够每分钟产生很多很多聚变点火事件，”Budil说。“不仅在科学方面，而且在技术方面都存在非常重大的障碍。”

其中一个障碍是，未来任何研究中使用的激光都需要更高效。在这个实验中使用的系统被称为国家点火装置，是世界上最大、能量最高的激光器，比三个足球场还大。但它仍然是基于上世纪80年代的技术。现代激光器的效率更高，未来的努力可能会尝试将更新的技术纳入实验。

“这表明这是可以做到的。越过这一门槛，他们就可以开始研究更好的激光器，更有效的激光器，更好的安全壳等。”“我们需要私营部门参与进来。这一突破得到了大量美国公共资金的投入，这一点非常重要，但我们将采取的所有必要步骤，使其达到商业水平，仍然需要公共研究和私人研究。”