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美国将宣布“重大科学突破”,媒体称首次实现核聚变的净能量增益

·美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在最近的一次聚变实验中获得了净能量增益,核聚变产生的能量超过了输入的激光能量。这一成果将提高美国在不进行核试验的情况下维持其核武器的能力,有朝一日也可能将激光核聚变作为零碳能源的来源。

·即便美国科学家实现了核聚变反应的净能量增益,也不意味着我们很快就能拥有廉价的核聚变能源,距离商用还很远。

一名技术人员在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的前置放大器支持结构内。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室

美国东部时间12月13日10时,美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)和负责核安全的副部长吉尔·赫鲁比(Jill Hruby)将宣布“一项重大科学突破”。

出席这场新闻发布会的包括美政府多个机构官员,包括白宫科学和技术政策办公室主任阿拉蒂·普拉布哈卡(Arati Prabhakar),以及美国国家核安全管理局和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的官员。

英国《金融时报》12月12日报道称,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家在核聚变能源领域取得突破,首次实现核聚变反应的净能量增益——从核聚变反应中产生的能量比其消耗的能量更多,这朝无限的零碳能源目标迈出关键一步,未来或将带来丰富的能源来源。

美科学家在核聚变能源领域取得突破

《金融时报》报道称,位于加州的联邦劳伦斯利弗莫尔国家实验室在过去两周的一次聚变实验中获得了净能量增益,核聚变产生的能量超过了输入的激光能量。

该实验室采用了惯性约束聚变方法,即用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒。美国国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)的核聚变反应产生了约2.5兆焦耳的能量,约为激光器2.1兆焦耳能量的120%,相关数据仍在分析中。

两名知情人士表示,能量产出超出了预期,这损坏了一些诊断设备,使得分析工作变得复杂。知情人士还表示,科学家们已经在广泛讨论这一突破。

另据《纽约时报》12日报道,一位不愿透露姓名的政府官员说,NIF的聚变实验实现了点火,也就是产生的聚变能量大于启动反应的激光能量。点火也称为能量增益。一位熟悉结果的科学家也证实,NIF已经实现了点火。报道称,这种发展将提高美国在不进行核试验的情况下维持其核武器的能力,有朝一日也可能将激光核聚变作为零碳能源的来源。

长期以来一直批评NIF的退休等离子体物理学家斯蒂芬·博德纳(Stephen Bodner)表示,一位科学家朋友给他发信息说,劳伦斯利弗莫尔国家实验室实现了净能量增益,将在周二宣布结果,“他们实现了目标,值得表扬。”

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受控核聚变示意图。图片来源:FT

什么是核聚变?

核聚变反应是宇宙中的普遍现象,它是恒星(例如太阳)的能量来源。

核聚变是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核(或粒子)的一种核反应形式。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量,两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥,然而两个能量足够高的核迎面相遇,它们就能相当紧密地聚集在一起,以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应,这个反应叫做核聚变。

太阳和许多恒星的内部温度高达千万摄氏度以上,每时每刻都在发生着剧烈的核聚变反应。太阳每秒放出的能量约为3.9×10^26焦耳,虽然到达地球表面的仅为太阳每秒释放能量的10亿分之一,但这也是巨大的能量,正是这个能量,才使得地球上的一切生命活动成为可能。

核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向,核聚变能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,因此被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量,就能摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。

可控核聚变所需要的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取,氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量就相当于地球上所有石油储备产生的总能量。

但人类若想要在地球上成功实现受控热核聚变反应,从而获得巨大能量,就必须创造三个必要条件。一是极高的温度,以使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体;二是极高的密度,以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大,而且便于将聚变产生的阿尔法粒子能量留下来继续参与核聚变反应;三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

到目前为止,人类对受控核聚变的研究主要分为两类。一是磁约束核聚变,也就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内,使它受控制地发生大量的原子核聚变反应,释放出能量,典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)。二是激光核聚变,这是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变,典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置。

人类很快就能拥有廉价的核聚变能源吗

耗资35亿美元的美国国家点火装置位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室,最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器,后用于推进聚变能研究。支持者认为,它可以推进核聚变研究,从而可能建成商业电站。

占地面积有三个足球场大的NIF采用中心点火激光核聚变方案,由192个巨大的激光器组成,它们同时向一个金属圆筒发射。圆筒被加热到约282万摄氏度,产生X射线内爆,加热并压缩氘氚燃料,引发核聚变。

NIF从2010年开始正式的点火实验。2014年,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家获得成果,但当时产生的能量非常小,相当于一个60瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年NIF在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量,约为那次激光能量的70%,是世界上最接近净能量增益的一次。

不过,据《自然》今年7月报道,美国科学家后来未能复制2021年创纪录的实验,反复尝试的结果最多只能达到去年年底能量的50%。这凸显了研究人员无法精确地理解、设计和预测这些能量下的实验。今年早些时候,研究人员改变了方向,开始重新考虑他们的实验设计。

当核聚变输出的能量和输入的能量达到平衡点,下一步就是要朝输出能量大于输入能量百倍的里程碑目标努力。当聚变反应的输出能量大于输入能量百倍时可以探索建立商用电站。

因此,即便美国科学家实现了核聚变反应的净能量增益,也不意味着我们很快就能拥有廉价的核聚变能源。据《纽约时报》报道,NIF的激光器效率非常低,一次实验只研究了一次激光爆发,而实际的核聚变发电厂需要机关枪一样的激光爆发速度,每次爆发都有新的靶丸滑动到位,然后从聚变反应中飞出的中子流必须转化为电能。NIF相当于三个足球场那么大,对于商业发电厂来说太大、太贵、效率太低。

科技媒体The Verge评论称,无论美国政府13日会宣布什么,“即使在最乐观的情况下,核聚变的任何潜在现实世界利益都可能还有等待十多年。看起来我们仍然不太可能及时依靠核聚变能源来使我们摆脱气候危机。但这是很酷的科学,人们可以有梦想。”

彭博社的文章则称,从科学角度来看,这一进展是令人振奋的。自20世纪50年代以来,研究人员一直在尝试使核聚变发电发挥作用,到目前为止每一次努力都以失败告终。虽然这个消息是一个了不起的科学突破,但在商业方面还未起步。


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