核聚变能源研究 首次实现净能量增益

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美国能源部13日宣布，美国劳伦斯▪利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置取得了重大突破——首次实现了所谓的“能量净增益”，即核聚变反应产生的能量超过输入的能量。

一时间，媒体上各种溢美之词铺天盖地而来，宣称美国在核聚变领域的这个突破，“帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步”，甚至还有鼓吹它能帮助解决当前的全球能源短缺问题……

老司机想说，美国的确在核聚变领域取得了一个重大科技突破，但作为中国人，在充满激情地跟着称赞之前，有些事情需要了解一下。

在本周这个大新闻出台前，恐怕大部分人都对“美国国家点火装置”感到陌生。简单而言，它是世界上最大的激光装置，造价高达35亿美元，有3个足球场那么大，可以动用近200台激光器产生的高能激光集中轰击一个微小的核聚变材料靶标，以启动核聚变反应。国家点火装置于1997年开工建造，即便经历了2008年的经济危机，美国政府也咬牙把这个“吞金大户”坚持下来，并在2009年完工。

但美国政府如此重视国家点火装置的根本原因是什么？

看看它的背景，一切就清楚了——美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。

换句话说，国家点火装置的“本职工作”并非是为全人类发展清洁的核聚变能源，而是为美国核武库服务的——它的最初设计目标就是为通过模拟爆炸来测试核武器。

中国核物理学家、工程院院士杜祥琬对此说得非常清楚：“美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。”

事实上，在美国宣布这次“重大突破”后，不少业内专家也注意到它对于美国发展新型核武器的重大意义——这可以帮助美国绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核试验，转而以较小的规模进行核反应实验，并从中收集数据。LLNL的武器物理和设计项目主任马克•赫尔曼表示，该实验本身就创造了非常极端的环境，更加接近于核武器爆炸。虽然核反应在十亿分之一秒内就结束了，但这段时间足以为研究核武器的科学家提供重要数据。

另一方面，国家点火装置的这次突破从科技上说，的确是不小的成绩，但要说它很快就能解决人类的能源危机，那实在是吹嘘得过了头。

在12月5日的实验中，美国国家点火装置用192束高能激光，将2.05兆焦的激光聚焦到核聚变材料上，产生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，达到了“点火”标准。实现“能量净增益”被视为证明商业核聚变电站可行的关键一步，国家点火装置的这次成功就证明了这一点。

但它距离真正意义上的实用化核聚变，还有非常远的路要走。英国《金融时报》称，虽然该实验产生的能量比激光器输入的能量高，诞生光是激光器运行就需要约300兆焦的能量，就整个系统而言，这次核聚变产生的能量仍微不足道。此外，从聚变热能转化为电力的过程中还会有能量损失，“因此可以说，国家点火设施的实验结果是一项科学上的成功，但离提供可用的、充足的清洁能源还有很长一段路要走。”

据老司机了解，业内通常认为，核聚变商业化前景更好的并非是国家点火装置所代表的高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变，而是另一条技术路线——利用磁约束的托卡马克装置。其中位于法国南部的“国际热核聚变实验堆（ITER）”是可与美国国家点火装置相提并论的超级可控核聚变实验装置。

中国的“东方超环”

值得一提的是，中国是这项计划的重要参与国。此外中国还在合肥、成都建造有自己的托卡马克装置，承担的就是开展获取可控核聚变能源的实验。例如中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的EAST全超导托卡马克装置（“东方超环”）于2021年成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，成为世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行，打破世界纪录。

所以呢，在大方庆贺美国在核聚变方面取得重大突破的同时，也不必妄自菲薄——中国在可控核聚变方面同样走在世界前列。

美国核聚变能源研究 首次实现净能量增益




美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室在12月5日的一次核聚变实验中短暂实现了净能量增益。（路透社）

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[size=1em]（早报讯）美国科学家在核聚变能源研究方面取得重大突破，以核聚变技术作为一种近乎无限的潜在清洁能源迈出决定性的一步。

[size=1em]彭博社和英国广播公司（BBC）综合报道，美国能源部星期二（12月13日）宣布，加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），在12月5日的一次核聚变实验中短暂实现了净能量增益，即核聚变产生的能量超过了输入的激光能量。

[size=1em]研究人员将少量氢气放入胡椒粒大小的胶囊里，然后使用强大的192束激光加热和压缩氢燃料。这激光非常强大，可将胶囊加热到1亿摄氏度，比太阳核心的温度还要高，并将它压缩到大气压力的1000亿倍以上。

[size=1em]核聚变并不便宜，LLNL实验室进行的核聚变实验耗资35亿美元（约47亿新元），但生产清洁能源的愿景肯定会成为克服这些挑战的巨大动力。

[size=1em]科学家在这个实验中取得的能量很小，只足够烧开几壶水。但它的意义是巨大的。

[size=1em]核聚变被视为能源生产的“圣杯”。LLNL实验室主任布迪尔说：“这是一项历史性的成就……过去60年，成千上万的研究人员为这项研究做出了贡献，凭借真正的远见让我们在今天取得了突破。”

[size=1em]这是科学家首次成功地使核聚变反应堆所生成的能量超过了所消耗的能量。这一突破为人类或许在几十年后，可以依赖为太阳和恒星提供动力的同一种核聚变反应产生的无碳电力带来了希望。

[size=1em]核聚变的工作原理是让两个原子核接受摄氏1亿度或以上的极度高温，使其聚合成一个新的更大原子，释放出巨大能量。但是，这个过程消耗巨大的能量，所以科学家一直面对的难题之一是如何让释出的能量大于输入的能量，可以持续这样做，而不仅仅是短暂瞬间。

[size=1em]人类为实现净零排放目标面临重重困难，大部分专家认为至少还需要几十年的进一步研发。这意味着，在全球面临严重能源供应短缺、温室气体继续攀升之际，这项历史性的突破很可能无法即刻帮助人类取代传统的化石燃料。

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，位于加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）取得了一项核聚变的突破，向没有碳排放的可持续能源迈进了一大步。

报道说，12月5日在该实验室的一项实验使得核聚变产生的能量超过了输入的能量，这预示着一种可取代目前化石能源的新能源。但研究者认为，要想把这一技术应用于商用，可能还需要数年时间；现在要谈论建设核聚变工厂，还为时尚早，还有很多技术问题需要解决，现在实验得到的还不是电能。

另据《华盛顿邮报》报道，美国能源部长格兰霍姆(Jennifer Granholm)和其他一些美国官员认为，这项实验成功为国防和清洁能源都开创了新的局面。格兰霍姆还强调，这项可控核聚变实验可以说是21世纪令人印象最为深刻的科学进步之一。

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有望于2040年以后投入实际运用的新一代能源技术“核聚变”的研究取得了飞跃性进步。美国能源部在当地时间12月13日发布消息称，在相关实验中实现了产出能量大于投入量的“净能量增益”。这意味着有助于脱碳的理想技术迈出了重要一步。




美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的核聚变相关设施（照片由该实验室提供，reuters）


       核聚变可在地球上重现与太阳相同的反应，因此被称为“地球上的太阳”。氢原子核发生聚变时产生的巨大热量可有效用于发电等领域。从理论上来说，1克燃料可以产生相当于8吨石油的能量。期待核聚变成为脱碳王牌技术的呼声很高。



       在用激光照射氢燃料粒子的实验中，首次实现了产出能量大于投入量的“净能量增益”。据悉，投入2.05兆焦耳的能量后，得到了3.15兆焦耳能量输出，相当于投入量的1.5倍。在2021年夏季，获得的能量只有投入量的70％。可见研究进程在加快。



       美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆在记者会上强调，“这是一项里程碑式的成就”。



       目前只是基础实验取得了成功，距离商用化还很遥远。即便暂时成功“点火”，要发电和利用热量，仍需要继续进行核聚变反应。估计需要数十年的时间才能实现商用化。格兰霍姆称，“将以商用化为目标，制定雄心勃勃的十年战略方案”。



       核聚变主要有两种方式。过去以日欧为主推进的是利用磁场线圈制造核聚变所需要的等离子状态的“托卡马克型”研发。日美欧、中国及印度参与的国际热核聚变实验堆（ITER）也采用这种方式。尚未达到利用作为核聚变燃料的氢同位素“氚”来提取能源的阶段。



       美国公布的是另一种方式，即激光技术。在大阪大学研究激光核聚变的重森启介教授介绍称，“虽然没有ITER这样的国际项目，但接连与各研究机构和初创企业合作。还可能利用此次的成果吸引投资，尽快实现实用化”。



       日本列入核能政策的核聚变实用化以ITER技术为前提。如果在美国主导下，激光型领先，日本也有可能被迫调整战略。



       核聚变也会产生放射性废弃物，这一点跟普通核电站一样。在东京电力福岛第一核电站事故后，世界上不信任核能技术的观点越来越多。作为电力来源的安全性和经济合理性还与可再生能源和蓄电池技术形成竞争。要想实现核聚变商用化，应该克服的课题还有很多。