天天要聞：可控核聚變點(diǎn)火成功！35億美元燒開(kāi)20壺水，人類(lèi)摘下清潔能源「圣杯」

新智元報(bào)道

編輯：編輯部

【新智元導(dǎo)讀】昨晚，發(fā)布會(huì)正式召開(kāi)，LLNL實(shí)驗(yàn)室可控核聚變點(diǎn)火成功，人造太陽(yáng)指日可待了？

(資料圖片僅供參考)

在12月13日晚的新聞發(fā)布會(huì)上，美國(guó)能源部部長(zhǎng)和LLNL的科學(xué)家們共同宣布了這項(xiàng)有關(guān)「無(wú)限清潔能源」的重大科學(xué)突破！

有史以來(lái)第一次，人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益，也就是說(shuō)，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于了這一過(guò)程中消耗的能量——核聚變點(diǎn)火。而這也讓?xiě)T性聚變能（IFE）的科學(xué)基礎(chǔ)首次得到了證實(shí)。

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(duì)此，美國(guó)能源部長(zhǎng)Jennifer M. Granholm表示：「這是一個(gè)歷史性的時(shí)刻，自此以后，游戲規(guī)則將會(huì)被永遠(yuǎn)改變。」

當(dāng)然，被改變的不只有清潔能源的未來(lái)，更有美國(guó)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(guó)在不進(jìn)行傳統(tǒng)核試驗(yàn)的情況下保持核威懾力。

美國(guó)參議院多數(shù)黨領(lǐng)袖查爾斯·舒默也表示：「在今年的《國(guó)防授權(quán)法》中，ICF項(xiàng)目將獲得有史以來(lái)最高的撥款——超過(guò)6.24億美元，從而讓這個(gè)驚人的突破更進(jìn)一步?！?/p>

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?yàn)樗軌驗(yàn)樘?yáng)等恒星提供動(dòng)力，而且可以在幾乎沒(méi)有污染的情況下產(chǎn)生大量能量。

幾十年來(lái)，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(guó)家實(shí)驗(yàn)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?jī)粼鲆妗?/p>

不過(guò)，這次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量只夠燒開(kāi)15-20壺水。

此外，盡管該實(shí)驗(yàn)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(gè)過(guò)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(wú)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(huì)發(fā)生可能導(dǎo)致反應(yīng)堆熔毀的失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

對(duì)此，哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授Carlos Paz-Soldan表示，該實(shí)驗(yàn)是人類(lèi)在可控核聚變領(lǐng)域一個(gè)重要的里程碑。

因?yàn)樗C明了：核聚變反應(yīng)的「凈能量增益」是確實(shí)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(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)，醞釀了至少有十年，并且曾在大約一年前，到達(dá)了一個(gè)里程碑。

在2021年8月的一次測(cè)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(wàn)億分之一秒內(nèi)產(chǎn)生了10千萬(wàn)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(lái)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(huì)使用磁鐵來(lái)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(lái)轟擊氫原子。

托卡馬克裝置的工作原理是，加熱到超過(guò)1億攝氏度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氫同位素等離子體，它們將會(huì)碰撞，而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。超級(jí)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨后會(huì)將等離子體包含起來(lái)，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(shí)間。

磁反應(yīng)堆可以使聚變過(guò)程持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)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?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)發(fā)生，而且現(xiàn)在已經(jīng)一定程度上跨過(guò)了凈能量增益的門(mén)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(qiáng)大的系統(tǒng)，能夠?qū)?92束激光束聚焦在一個(gè)目標(biāo)上，但每幾個(gè)小時(shí)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(lái)看，是非常困難的。

不過(guò)，此次實(shí)驗(yàn)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(huì)現(xiàn)場(chǎng)，美國(guó)能源部部長(zhǎng)表示，核聚變的商業(yè)化，或許可能會(huì)在未來(lái)的「幾個(gè)」十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但大概率不是之前說(shuō)的50-60年。

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

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

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

耗資35億美元的國(guó)家點(diǎn)火裝置

LLNL建造的國(guó)家點(diǎn)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(lái)在實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)這一概念，LLNL建立了一系列越來(lái)越強(qiáng)大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強(qiáng)的NIF。

NIF有一個(gè)體育場(chǎng)那么大，它強(qiáng)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(shí)的溫度和壓力。

在此次實(shí)驗(yàn)中，激光器模仿了太陽(yáng)中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

具體來(lái)說(shuō)，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強(qiáng)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(huì)擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線(xiàn)，然后這些X射線(xiàn)可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽(yáng)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(huì)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(huì)向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。

在內(nèi)爆時(shí)，只要對(duì)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(diǎn)火」，隨之便會(huì)放出大量能量。

不過(guò)，對(duì)于美國(guó)來(lái)說(shuō)更重要的是，那些從事核儲(chǔ)備的科學(xué)家可以繞過(guò)因《全面禁止核試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，并從中收集數(shù)據(jù)。

LLNL的武器物理和設(shè)計(jì)項(xiàng)目主任Mark Herrmann表示，這種輸出，即30000萬(wàn)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(shí)現(xiàn)瞬時(shí)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(diǎn)是用激光壓縮。如此一來(lái)便開(kāi)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(gè)原子會(huì)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(huì)以熱能和輻射的形式釋放，其中熱能被用來(lái)將水加熱成蒸汽，進(jìn)而使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

在實(shí)際操作中，核電站首先會(huì)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(huì)分裂成氪和鋇原子核，同時(shí)還有三個(gè)額外的中子，通過(guò)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(guò)程，其釋放的能量是裂變的數(shù)倍，并且不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期的放射性廢物。

聚變核電站的運(yùn)行方式與裂變核電站類(lèi)似，利用原子反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱水、產(chǎn)生蒸汽、驅(qū)動(dòng)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(shí)滿(mǎn)足能量消耗低于能量生成，一直是個(gè)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(chēng)為氘（氫-2）。當(dāng)受到高熱和高壓時(shí)，電子被迫離開(kāi)氘原子，產(chǎn)生等離子體。

這種等離子體是一種過(guò)熱的電離氣體，需要用強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)控制，因?yàn)樗臏囟瓤梢赃_(dá)到1億攝氏度以上，是太陽(yáng)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(shí)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(gè)過(guò)程之間有一些關(guān)鍵的區(qū)別：

核裂變?cè)谠臃至褧r(shí)釋放能量，而核聚變?cè)谠咏Y(jié)合時(shí)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(huì)像核裂變那樣產(chǎn)生有害的長(zhǎng)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(gè)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(lèi)已經(jīng)取得了重大的突破。

對(duì)于未來(lái)，我們也應(yīng)抱有更多的想象力。

參考資料：

https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition

https://nuclear.duke-energy.com/2021/05/27/fission-vs-fusion-whats-the-difference-6843001

https://en.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility

關(guān)鍵詞： 清潔能源 等離子體 脊椎動(dòng)物