可控核聚變里程碑！美能源部宣布世界首次激光核聚變點(diǎn)火成功

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。

據(jù)悉，實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

美國能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆在一份聲明中稱，這一突破是一項(xiàng)“里程碑式的成就”。這項(xiàng)成果預(yù)計(jì)將可能幫助人類在實(shí)現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。

(資料圖)

━━━━━

早就將目光投向了“可控核聚變”

在這個(gè)寒冷的冬天，相信很多人都體會(huì)到了能源的重要性。

為了方便、高效地獲得清潔能源，人們很早就將目光投向了核能技術(shù)，尤其是被稱為清潔能源圣杯的“可控核聚變”。

核聚變，又稱融合反應(yīng)，是指將兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)極輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。兩個(gè)較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量耗損而釋放出巨大的能量，這一能量是核裂變反應(yīng)的四倍。

之前，我們已經(jīng)在氫彈中見識(shí)過核聚變的威力。但氫彈屬于不可控核聚變，不能用來發(fā)電，而受控核聚變則是將核聚變反應(yīng)控制在安全范圍，也即人們所說的“人造太陽”。

在太陽中，其巨大的引力所產(chǎn)生的極端壓力為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件，它把眾多原子核約束在一個(gè)小空間內(nèi)，同時(shí)讓它們?cè)诔^ 1000 萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。一旦原子核克服了這種排斥力并進(jìn)入彼此非常接近的范圍，它們之間的核力吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。

在地球上，我們需要超過 1 億攝氏度的溫度和強(qiáng)大的壓力，以使氘和氚發(fā)生聚變，還需要充分的約束，使等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以獲得凈功率增益。也就是說，雖然核聚變釋放的能量驚人，但整個(gè)可控核聚變過程也消耗了大量的能量，避免這種消耗的訣竅是讓反應(yīng)過程自我維持，使得輸出的能量比輸入的能量多，并且讓這個(gè)過程持續(xù)而不是短暫地進(jìn)行一次。如此一來，聚變能才能成為可用的能源。這是國際上公認(rèn)的可控核聚變難題。

在過去的幾十年里，熱核聚變研究形成了兩大分支，一是磁約束聚變，主攻方向是托卡馬克裝置（比如中國的東方超環(huán) (EAST) 和國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)），另外還有仿星器，反向場(chǎng)箍縮及磁鏡等裝置。另一平行研究分支是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。

━━━━━

如何評(píng)價(jià)此次NIF的成就？

12月13日，英國《金融時(shí)報(bào)》等媒體報(bào)道稱，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國家點(diǎn)火裝置（NIF）已經(jīng)在一項(xiàng)使用激光的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中取得了重大突破，首次實(shí)現(xiàn)了聚變反應(yīng)的凈能量增益。

報(bào)道稱，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是通過用世界上最大的激光撞擊一個(gè)微小的等離子體顆粒來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)裝置由近 200 臺(tái)激光器組成，有三個(gè)足球場(chǎng)那么大，用高能量轟擊一個(gè)小點(diǎn)，以啟動(dòng)核聚變反應(yīng)。

圖中所示為空腔膠囊內(nèi)的目標(biāo)彈丸，激光束從兩端的開口進(jìn)入。光束將目標(biāo)壓縮并加熱到發(fā)生核聚變的必要條件。

至于實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，美國能源部已在美國太平洋時(shí)間周二上午 7 點(diǎn)（北京時(shí)間周二 23 點(diǎn)）左右進(jìn)行直播介紹。

倫敦帝國理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任Jeremy Chittenden評(píng)價(jià)說：“這是一個(gè)真正的突破性時(shí)刻，非常令人興奮。”

但他也表示，盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但與為電網(wǎng)供電和為建筑物供暖所需的能量相比，它的規(guī)模要小得多。

“這相當(dāng)于燒開 10 壺水。為了把它變成一個(gè)發(fā)電站，我們需要獲得更多的能源，我們需要多得多的能源?！盋hittenden說。

“雖然這一結(jié)果是自 1930 年代以來科學(xué)探索的一個(gè)重要里程碑，但進(jìn)入利弗莫爾反應(yīng)的能量與從中獲得的能量之比需要提高約 100 倍，才能產(chǎn)生商業(yè)規(guī)模的電力?！币晃幌⑷耸堪l(fā)表了類似的看法。

幾十年來，科學(xué)家們一直在試驗(yàn)聚變反應(yīng)，直到現(xiàn)在他們才能夠創(chuàng)造出一種產(chǎn)生的能量多于消耗的能量的裝置。盡管成就顯著，但前方仍面臨巨大的工程和科學(xué)挑戰(zhàn)。就拿發(fā)電站來說，他們要考慮如何經(jīng)濟(jì)地控制熱量，以及如何保持激光持續(xù)發(fā)射等問題，不過這項(xiàng)研究也利好聚變發(fā)電廠的發(fā)展，包括英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司、加拿大核聚變技術(shù)開發(fā)商General Fusion等。

將來如果核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化（支持者稱這可能在十年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生）會(huì)帶來很多好處，它能產(chǎn)生幾乎無碳的電力，這有助于應(yīng)對(duì)氣候變化，不會(huì)像裂變那樣產(chǎn)生放射性核廢料反應(yīng)堆。

來源：綜合自央視新聞、微信公眾號(hào)“機(jī)器之心”

-點(diǎn)擊閱讀更多科學(xué)家的故事-

科技發(fā)展的背后離不開科技工作者的奉獻(xiàn)

閱讀“科技工作者”

了解更多科學(xué)背后的故事

關(guān)鍵詞： 等離子體 美能源部