智東西12月14日報道，北京時間昨晚23點，美國能源部宣布一項重大科學突破：美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）首次實現激光核聚變“點火”。

該實驗從可控核聚變中產生的3.15MJ能量，超過了驅動核聚變的2.05MJ激光能量。

(資料圖)

這種獲得能量比投入能量更多的情況，被稱作“科學能量盈虧平衡”。

科學家希望通過探索和利用核聚變產生的能力，實現“人造太陽”的目標，為地球提供近乎無限的清潔能源。

聚變研究可以追溯到20世紀50年代初，科學家足足用了70年，才實現這一突破性進展。

然而，對于實際商業(yè)聚變能源來說，當前科學突破的進步意義仍然有限：取得這一進展的代價非常昂貴，NIF從電網消耗的能量，比它產生能量的100倍還多。

▲NIF目標艙（圖源：LLNL）

01.激光核聚變研究的階段性勝利

核聚變是兩個輕核結合形成一個較重的核并釋放大量能量的過程。圍繞這個方向的研究，LLNL創(chuàng)建了美國最大規(guī)模、能量最高的激光系統(tǒng)NIF。

據悉，NIF有一個體育場那么大，使用強大的激光束來產生類似于恒星和巨行星核心以及爆炸核武器內部的溫度和壓力。作為美國能源部核武器計劃的旗艦實驗設施，NIF最初目標是在2012年前實現點火，但因延誤和成本超支而受到批評。

2021年8月，NIF科學家宣布他們已用高功率激光設備實現了創(chuàng)紀錄的反應，該反應跨越了點火路徑上的臨界閾值。然而接下來幾個月中復制該實驗的努力未能實現，最終，科學家們重新考慮了實驗設計，直至最近這次新實驗的成功。

▲NIF中的圓柱體裝置（圖源：LLNL）

NIF設施用192臺激光器將2.05MJ能量輸送到一個豌豆大小的金圓柱體上。這個圓柱體裝有氫同位素氘和氚的冷凍顆粒。激光束將氘和氚燃料球“打爆”，產生只有在恒星和熱核武器中才能觀察到的溫度，氫同位素融合成氦，釋放出額外的能量并產生一連串的聚變反應。

▲激光束轉化成X射線，然后壓縮燃料艙直至內爆（圖源：LLNL）

實驗分析表明，核聚變反應釋放了大約3.15MJ的能量——比進入反應的能量多大約54%，是之前1.3MJ記錄的兩倍多。

不過，雖然聚變反應產生了超3.15MJ的能量，但NIF在此過程中消耗了高達322MJ的能量，大約是3.15MJ的102倍。

由此來看，NIF實驗的成功，對通往商業(yè)聚變能的道路上的確產生了積極影響，但這一結果與發(fā)電所需的實際能量增益還有很長的路要走。

02.距離廣泛實用化，可能需要幾十年

實現比激光輸入能量略多的核聚變輸出能量，引起了人們對清潔核聚變能源驅動未來的熱議。但專家警告說，接下來還有很多要解決的挑戰(zhàn)。

首先，就投入成本而言，NIF設施耗資35億美元，其當前取得的進展相當于是投入100度電換來生成約1度電，離經濟可行性還差得遠。要探索商業(yè)化發(fā)電，輸出能量的能量增益至少需提高百倍。

▲NIF目標室（圖源：LLNL）

其次，發(fā)電廠需要穩(wěn)定的電力，但是NIF每天最多能夠執(zhí)行一次實驗性爆炸，而且每次爆炸都需要嚴苛的條件。工程挑戰(zhàn)也擺在面前，包括設計和建造用于實際發(fā)電的工廠，使其可提取聚變產生的熱量并將它轉化為大量可用的電力。

最后是供應問題。氘還算豐富，但全世界的氚總供應量大約只有50磅。2020年，氚的市場成本接近100萬美元/盎司。LLNL科學家估計，以NIF為模型的商業(yè)運作每天需要2磅。因此生產更多的氚將是一大供應挑戰(zhàn)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）主任Kim Budil坦言，要實現廣泛、實用的核聚變，“可能需要幾十年”。

全球范圍內，還有許多其他實驗正在嘗試探索用不同方法實現能源應用的聚變。NIF采用的是慣性約束方法，歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、印度等合作的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目則在探索磁約束技術路線，即用磁場控制氘和氚等離子體，將其加熱直至產生核聚變。中國團隊在這個國際項目中承擔的任務約占9%。

今年11月22日，在中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心指導下，中國團隊完成了全球最大“人造太陽”ITER的核心部件——被喻為ITER“防火墻”的增強熱負荷第一壁全尺寸原型件的首件制造。這一實質性工程突破，為我國下一步建造聚變工程實驗堆和商用電站奠定堅實基礎。

03.結語：邁向“終極能源”未來仍長路漫漫

太陽將氫合成氦的聚變反應產生了巨大的能量，人類希望從大自然的鬼斧神工汲取靈感，在地球上再造一顆能源源不斷供給能源的“太陽”，幫助人們擺脫能源危機的困擾。

而NIF實驗的歷史性成功，證明了慣性約束聚變的可行性，有助于增強人們對核聚變清潔能源前景的信心，提高推廣能源計劃的可信度，并為各種能源應用相關的項目研究打開大門。

邁向清潔、安全、有效的“終極能源”未來，人類還有很長的路要走。NIF接下來的用途也備受關注?，F在最大的問題是，美國能源部接下來要做什么：是加大核武器研究力度，還是優(yōu)先推動利用核聚變發(fā)電的商業(yè)可行性研究？

來源：Nature，Big Think

關鍵詞： 聚變反應 能源計劃 激光核聚變