撰文 | 小博

編輯 | 郭郭

→這是《環(huán)球零碳》的第456篇原創(chuàng)

在全球氣候變暖和能源需求不斷增加之下,，科學(xué)家一直希望以“核聚變”（又稱“核融合”）技術(shù)打造出“人造太陽”，獲得大量潔凈能源,。

12月12日,，有美英媒體報(bào)道，美國加州的科學(xué)家在此領(lǐng)域獲得“重要突破”,，首次在核聚變反應(yīng)中取得“能量?jī)粼鲆妗?，即產(chǎn)生的能源大于消耗的能源。

英國《金融時(shí)報(bào)》和《華盛頓郵報(bào)》報(bào)道,，加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)使用實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的核聚變反應(yīng)爐,，達(dá)成了“能量?jī)粼鲆妗保∟et Energy Gain）。這代表研究人員首次成功在核聚變反應(yīng)中,，產(chǎn)生的能源大于消耗的能源,，可望朝追求零碳能源邁出重大一步。

美國能源部與LLNL發(fā)言人表示，無法對(duì)上述報(bào)道發(fā)表意見或加以證實(shí),，但能源部長格蘭霍姆將于今日（12月13日）“宣布重大科學(xué)突破”,。

LLNL發(fā)言人還說，“分析還在進(jìn)行當(dāng)中,，期待周二分析完成時(shí),，能分享更多信息”。

核聚變研究旨在模仿太陽制造能源的方式,，復(fù)制核反應(yīng),，該反應(yīng)能產(chǎn)生大量能源，且核廢料半衰期極短,，被喻為零碳排的能源“圣杯”,。理論上，一小杯氫燃料就可為一間房子供電長達(dá)數(shù)百年,。

科學(xué)家自1950年代起就開始研究核聚變,，不過，即使在實(shí)驗(yàn)室獲得突破,，核聚變至少還要十年甚至數(shù)十年后才可能投入商用,。

圖說：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室

來源：Damien Jemison / theatlantic

美國核聚變突破有多大？

該消息最早由《金融時(shí)報(bào)》引述三名知情人士報(bào)導(dǎo),，美國LLNL運(yùn)用一種稱為慣性局限聚變的過程,，過去兩周在一次核聚變實(shí)驗(yàn)中達(dá)到凈能量增益。

這種過程包括借由當(dāng)今全球最大的激光,，持續(xù)照射一個(gè)微小的氫電漿球,。該聚變反應(yīng)產(chǎn)生了大約 2.5 兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%,。整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析仍在進(jìn)行中,。

這次實(shí)驗(yàn)在LLNL內(nèi)耗資35億美元的“國家點(diǎn)火設(shè)施”（NIF）進(jìn)行。NIF去年曾從一次核聚變反應(yīng)制造出1.37兆焦耳,，是當(dāng)時(shí)照射激光能量的70%,，是此前科學(xué)家最接近凈能量增益的一次。

知情人士說,，這次實(shí)驗(yàn)?zāi)茉串a(chǎn)出雖多于預(yù)期,，卻造成部分判讀設(shè)備受損，使分析工作變復(fù)雜,。

英國倫敦帝國學(xué)院學(xué)者特瑞爾（Arthur Turrell）博士指出,，“如果獲證實(shí)，我們正見證歷史性時(shí)刻”,。自20世紀(jì)50年代以來,，科學(xué)家們一直在努力證明核聚變可以釋放比投入更多的能量,，而LLNL的研究人員終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)數(shù)十年的目標(biāo)。

該設(shè)施的反應(yīng)堆是一個(gè)基于激光的慣性約束核聚變裝置,，而不是大多數(shù)核聚變研究中正在使用的磁約束核聚變裝置。

什么是核聚變

要了解核聚變,，首先需要了解核能（又稱“原子能”）,，這是一種通過核反應(yīng)從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2 ,，其中E=能量,，m=質(zhì)量，c=光速,。

核能可通過三種核反應(yīng)之一釋放：

目前世界上大多數(shù)核電站,，都是通過核裂變來獲得能量。核裂變是從原子核分裂中獲得能量,，例如鈾會(huì)分裂成兩個(gè)較細(xì)的原子核和放出能量,。核裂變可以是自發(fā)或誘發(fā)的，所以巨大的原子核普遍是 不穩(wěn)定的,，它們有可能會(huì)自發(fā)分裂,。

原子核受其他粒子的撞擊也會(huì)發(fā)生裂變，例如鈾受中子撞擊會(huì)實(shí)時(shí)分裂,。

而核聚變則是通過將原子核結(jié)合而釋放能量,。這個(gè)過程是指將兩個(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)量耗損并釋放出巨大的能量,。舉個(gè)例：兩個(gè)質(zhì)量小的原子,，比方說兩個(gè)氘原子，在一定條件下（如超高溫和高壓）,，會(huì)發(fā)生原子核互相聚合作用,，生成中子和氦-3，并伴隨著巨大的能量釋放,。

太陽發(fā)出的光和熱就是由氫核聚變反應(yīng) (變成氦) 所產(chǎn)生的,。所以也有人把核聚變稱作“人造太陽”。

啟動(dòng)和維持聚變反應(yīng)所需的條件比較苛刻——需要超過1億攝氏度的溫度,，以達(dá)到發(fā)生反應(yīng)所需足夠高的粒子密度,。由于聚變反應(yīng)只能在這種極端條件下發(fā)生,，因此不可能出現(xiàn)“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

此外,，核聚變不產(chǎn)生高放射性,、長壽命的核廢物。所以一般而言,，核聚變比核裂變要安全,。

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,，這次美國LLNL使用的就是激光聚變,。另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置,。

圖說：勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員在檢查前置放大器支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的光學(xué)器件

來源：APnews

核聚變商業(yè)化短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)

核聚變能提供無碳電力,，有助于應(yīng)對(duì)氣候變化，確實(shí)給人類清潔能源提供了非常具有想象力的未來,。包括比爾 · 蓋茨,、杰夫 · 貝佐斯、約翰 · 杜爾和谷歌等在內(nèi)的商業(yè)大佬和知名企業(yè),，都向核聚變公司投入了大量資金,。根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，私營企業(yè)去年就獲得了超過 28 億美元的融資,，近年來總共獲得了約 50 億美元融資,。

這一次，面對(duì)加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的新突破,，科學(xué)家和能源行業(yè)專家似乎普遍感到興奮,，但許多人也強(qiáng)調(diào)，這并不意味著我們很快就會(huì)建造核聚變發(fā)電廠,，或者讓核聚變電能為我們的飛行汽車提供動(dòng)力,。

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：“盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但跟為電網(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,。這只相當(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,?！?/p>

正如《華盛頓郵報(bào)》在關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的報(bào)道中指出的那樣，未來的科學(xué)和工程障礙仍然巨大：

要獲得凈能量,，需要使用世界上最大的激光器之一,，并且需要巨大的資源來重建反應(yīng)，使聚變適用于能源生產(chǎn)所需的規(guī)模,。

更重要的是,，工程師們還沒有開發(fā)出能夠以負(fù)擔(dān)得起的價(jià)格將這種反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電力的機(jī)械，這些電力實(shí)際上可以部署到電網(wǎng)中,。

科學(xué)家說，建造足夠大的設(shè)備來產(chǎn)生大規(guī)模的聚變電力,，將需要非常困難的材料來生產(chǎn),。與此同時(shí)，該反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中子,，給制造該反應(yīng)的設(shè)備帶來巨大的壓力,，這種壓力可能會(huì)把設(shè)備摧毀。

效率和凈能量收益也是一個(gè)問題,。

要使反應(yīng)堆普遍有用,，它必須產(chǎn)生比最初投入激光的能量更多的能量。從電力產(chǎn)生激光的效率非常低下,。據(jù)估計(jì),，如果激光輸出2.1兆焦耳的能量，那么美國這套“國家點(diǎn)火設(shè)施”（NIF）將不得不從電網(wǎng)中獲得數(shù)十兆焦耳的能量才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),。

即使反應(yīng)堆能夠抵消激光所需的真實(shí)能量,，它也只能實(shí)現(xiàn)收支平衡。為了使核聚變成為現(xiàn)有能源的可行替代品,，我們必須能夠提取大量的凈能源,。

彭博社引述專家解釋說，在這種系統(tǒng)中,，由于廢熱和噪音而損失的能量,，意味著它們的熱效率通常低于50%。

簡(jiǎn)而言之,，這一突破絕對(duì)意義重大,，值得興奮，但距離提供有用,、豐富,、清潔的能源還有很長的路要走，商業(yè)化的聚變能源生產(chǎn)還需要幾十年的時(shí)間,，不應(yīng)被視為很快就能解決世界能源或氣候變化問題的靈丹妙藥,。

注：首圖來源于Laser Indirect Drive input to NNSA 2020 Report