解读美国核聚变重大突破：究竟有何意义

北京时间 12 月 14 日消息，美国能源部周二在发布会上证实，美国科学家首次在核聚变反应中实现了净能量增益。这一突破预示着，核聚变或许最终可以为化石燃料提供一种丰富的、零碳排放的替代品。

美国能源部长詹妮弗・格兰霍姆 (Jennifer Granholm) 周二在发布会上称，“这是一项里程碑式的成就”。美国国家核安全局局长吉尔・赫鲁比 (Jill Hruby) 表示：“我们已经向着一种可能彻底改变世界的清洁能源迈出了试探性的第一步。”

但是，这一突破究竟让能源领域距离实现核聚变能源的梦想更近了多少呢?

什么是核聚变？

核聚变是为太阳提供能量的反应。这一过程涉及将两种氢同位素 —— 通常是氘和氚 —— 加热到极端温度，使原子核发生聚变，释放出氦和以中子形式存在的大量能量。

与核裂变不同，这个过程不会产生长期存在的放射性废物，也不排放碳。科学家估计，一小杯这种燃料可以为一所房子提供 800 多年的电力。核聚变技术的支持者将其描述为清洁能源的“圣杯”，是一种理论上可以提供近乎无限、零碳能源的技术。

不过，尽管前苏联科学家在 20 世纪 50 年代使用一种被称为“磁约束”的技术开发了第一台核聚变机器，但是在周二以前，还没有一个研究小组能够在核聚变反应中产生比所消耗能量更多的能量，这个过程被称为科学能量增益或目标增益，被视为该领域的科学里程碑。

美国做到了什么？

美国能源部下属加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的国家点火设施 (NIF) 的科学家们首次在核聚变反应中实现了能量增益的目标。

NIF 耗资 35 亿美元，在 2009 年启用，最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器，随后被用于推进聚变能研究。

目前，磁约束仍然是研究最广泛的核聚变方法，它使用巨大的磁铁将氘-氚燃料固定在适当的位置，同时将其加热到比太阳更高的温度。

但是，NIF 采用了一种被称为“惯性约束”的不同技术。它使用 192 束激光燃烧一个微型燃料胶囊 (fuel capsule)。激光将燃料加热到超过 300 万摄氏度，导致目标胶囊的表面燃着并产生爆炸，造成了 NIF 描述的“类似火箭”的内爆。这会压缩并进一步加热燃料，直到氘和氚中的氢原子融合，释放出氦和能量。

在 2022 年 12 月 5 日的核聚变实验中，NIF 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 153%，超出了媒体此前报道的 120% 能量增益的初步结果。

人类是否已经攻克了核聚变能？

还没有。几十年来，实现能量增益一直被视为证明商业核聚变电站可行的关键一步。然而，它仍有几个障碍需要克服。

首先，实验中到能量增益只是将产生的能量与激光器中的能量进行比较，而不是与从电网中提取出为系统供电的总能量进行比较。事实上，每次发射都需要 330 兆焦耳的电能，以 400 微秒的脉冲串形式传送。

而且，NIF 为激光提供动力的系统已经很旧了，也不是为了最大的能源效率而设计的。然而，科学家们仍然估计，商业核聚变将需要产生 30 到 100 倍输入能量的聚变反应。NIF 每天最多只能发射一次，而一个使用惯性约束聚变技术的发电厂可能需要一秒钟完成几次发射。

“这个实验清楚地证明了激光聚变的物理学是有效的，”等离子体物理学家罗比・斯科特 (Robbie Scott) 表示，他对 NIF 的研究做出了贡献，“下一步工作将包括展示更高的聚变能量增益，以及进一步开发更有效的方法来驱动内爆。”

和其他国家近期突破相比呢？

在 NIF 取得这一成就之前，过去 18 个月里，其他由公共资金资助的聚变实验室也宣布了重大成果，只是它们的研究目标略有不同。

据新华社报道，2021 年 5 月 28 日凌晨，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) 创造了新的世界纪录，成功实现可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体运行。这将此前创造的 1 亿摄氏度 20 秒原纪录延长了 5 倍，意味着向核聚变能源应用迈出重要一步。EAST 也被称为中国“人造太阳”，是中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制的磁约束核聚变实验装置。

去年 12 月，位于牛津的世界上最大、最强大的托卡马克核反应装置)“欧洲联合环状反应炉”(JET) 的研究人员在持续 5 秒的聚变反应中产生了创纪录的 59 兆焦耳能量。这足以烧开大约 60 个水壶，比 JET 在 1997 年创造的 22 兆焦耳的能量输出纪录增加了一倍多。

专家指出，这两种核聚变反应都没有像 NIF 那样实现能量增益，但是它们在实验中也都没有优先考虑实现能量增益。

加速行业研究

对于能源领域来说，它们希望这一突破将激发人们的兴趣和投资，从而加快核聚变能的进展。

从历史上看，大多数核聚变科学都是由 NIF 和 JET 等公共资助的实验室完成的，但是近年来，投资也涌入了承诺在本世纪 30 年代提供核聚变能源的私营公司。

等离子体物理学家梅勒妮・温德里奇 (Melanie Windridge) 运营了一家聚变能咨询公司 Fusion Energy Insights。她指出，耗资 35 亿美元建造的 NIF 已有 13 年历史，其基础是上世纪 80 年代开发的激光技术。

“如果你能在老旧的技术下做到这一点，这就表明了最新设备的可能性。如果他们得到私人支持，并且能够按照这些激进的时间表推进，那么他们就可以使用尖端技术…… 这非常令人兴奋。”温德里奇表示。