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美国实现全球首次激光核聚变点火,外媒:或有利于美核武研究

劳伦斯利弗莫尔国家实验室里的工作人员在作业。

12月13日,美国能源部官员宣布了美国核聚变研究的一项“里程碑式”的成就——劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”激光核聚变点火成功,首次实现“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。

据《纽约时报》报道,当地时间12月5日上午1时03分,劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素固体目标,在不到100万亿分之一秒的瞬间向目标输入了2.05兆焦耳的能量,产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出,能量增益达到1.5倍。

在实现此次成果之前,多年来该实验室的科学家一直在探索如何利用激光使氢原子发生核聚变,过程一波三折。实验室使用的点火装置耗费35亿美元,但自2009年投入使用以来,该设施前几年几乎没有成功产生任何核聚变反应,直到2014年才获得些许成功,产生了相当于一个60瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年8月,该设施在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量,约为那次所使用的激光能量的70%,是之前世界上最接近净能量增益的一次。

报道称,核聚变之所以备受关注,是因为它具有替代化石燃料和其他释放温室气体的能源的巨大潜力。核聚变是全世界能源发展的前沿方向,由于其燃料来自海水、效率是化石能源的千万倍、没有长期的核废料、没有碳排放等特点,被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控核聚变产生的能量,就能摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。

但在目前,想广泛应用核聚变技术依然任重而道远。目前作为点火设施的激光器效率非常低。据《纽约时报》分析指出,该激光点火装置建造于几十年前,设计用途是基础科学实验,而非发电。因此,它平均每周只能发射约10次,而一个激光核聚变发电厂必须做到每秒发射约10次,才能提供合理的电力输出。

此外,现有点火装置所消耗的能量仍然远超聚变反应所产生的能量。尽管在最新的实验中,科学家使用2.05兆焦耳的能量产生了153%的能量增益,但为了产生这短暂的激光脉冲,点火装置一共需要消耗超过300兆焦耳的能量,并且当下仅1.5倍的能量增益率依然离建造发电厂需要的30倍至100倍增益率有很长的距离。

不过,该突破毕竟使人类在实现零碳排放能源之路上前进了一步。劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔(Kim Budil)13日在新闻发布会上表示,“我们过去常说(核聚变广泛使用)还需要50年,但我认为现在不需要了。通过持续的努力和投入,基础技术研究再过几十年就可以让我们到建造发电厂的程度。”

报道称,除了在能源领域,首次核聚变点火成功的成果还将体现在军事方面,用以保持美国的核威慑力。本次激光核聚变点火成功意味着人类首次实现了在实验室内点燃热核燃料。在此次核聚变反应发生的瞬间,输出的能量功率达30000万亿瓦,接近于一个核武器爆炸输出的能量功率。由于美国自1992年便停止地下核试验,核聚变实验将为美国核武器研究提供更多数据。

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