見(jiàn)證歷史！人類或首次實(shí)現(xiàn)，可控核聚變「重大科學(xué)突破」

爆炸性消息！史上首次，人類實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的凈能量增益。

凈功率增益，即產(chǎn)生的聚變功率與用于加熱等離子體的功率之比率。

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），從一個(gè)實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆中，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于了這一過(guò)程中消耗的能量。

這就意味著，人類朝人造太陽(yáng)的目標(biāo)，又近了一步。

而化石燃料和傳統(tǒng)核能，或?qū)⑼顺鰵v史的舞臺(tái)！

核聚變反應(yīng)凈能量增益，意味著什么

簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，并釋放出巨大能量的過(guò)程。

我們都知道，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，太陽(yáng)是地球上一切生命的源泉，那太陽(yáng)的能量來(lái)自于哪里呢？

就是核聚變。

在這個(gè)熱核反應(yīng)中，兩個(gè)氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質(zhì)量比原來(lái)的氫原子略小。

因此，根據(jù)愛(ài)因斯坦標(biāo)志性的E=mc2質(zhì)能方程，這個(gè)質(zhì)量差會(huì)轉(zhuǎn)化為能量爆發(fā)出來(lái)。

在太陽(yáng)的核心，每秒都在發(fā)生6.2億噸氫的核聚變

這種能量，使我們?nèi)祟惖靡陨妗?/span>

理論上，只要有幾克氘（重氫）和氚（超重氫）的混合反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生一太（萬(wàn)億）焦耳的能量，這大約是發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)人60年內(nèi)所需的能量。

既然核聚變能產(chǎn)生如此大的能量，那我們?nèi)祟惸懿荒茏约篋IY這個(gè)過(guò)程，造出個(gè)「人造太陽(yáng)」？

沒(méi)錯(cuò)，科學(xué)家們?cè)缇烷_(kāi)始這么想了。

自從人類開(kāi)啟了和平利用核能的研究，如何在可控的條件下利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，一直是人類的終極目標(biāo)（而目前的核電站，原理是核裂變反應(yīng)）。

但是，利用核聚變最大的難題之一是，核聚變過(guò)程本身也會(huì)消耗巨大的能量，該如何讓核聚變反應(yīng)釋放出的能量大于輸入的能量，而且讓這個(gè)過(guò)程可持續(xù)呢？

從上世紀(jì)50年代以來(lái)，無(wú)數(shù)的物理學(xué)家就一直希望從核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生比消耗更多的能量。

如果攻克了這個(gè)最大的難題，人類將有可能史上首次獲取海量無(wú)碳清潔能源，徹底改變未來(lái)的能源路線圖。

也就是說(shuō)，到了那時(shí)，就不再有煤和石油燃燒產(chǎn)生的溫室氣體，不再有危險(xiǎn)、長(zhǎng)效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」！

而現(xiàn)在看起來(lái)，這個(gè)難題的第一步已經(jīng)被解決了。

據(jù)英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）從一個(gè)實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)了「凈能量增益」，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多于這一過(guò)程中消耗的能量。

據(jù)消息人士透露，這次反應(yīng)產(chǎn)生的能量是消耗能量的120%，至少有兩名研究人員證實(shí)了這一消息。

一位資深核聚變科學(xué)家對(duì)《華盛頓郵報(bào)》表示：「對(duì)我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，這只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題?！?/span>

此次核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了大約2.5兆焦耳的能量，大約是激光器中2.1兆焦耳能量的120%，目前具體數(shù)據(jù)仍在進(jìn)一步分析中。

美國(guó)能源部和LLNL發(fā)言人均表示，目前無(wú)法評(píng)論《金融時(shí)報(bào)》的報(bào)道，不過(guò)美國(guó)能源部長(zhǎng)Jennifer Granholm表示，將在今天晚些時(shí)候宣布一項(xiàng)「重大科學(xué)突破」。

核聚變專家亞瑟·特瑞爾（Arthur Turrell）博士表示，「如果這個(gè)結(jié)果得到最終證實(shí)，我們將見(jiàn)證一個(gè)歷史性的時(shí)刻。」

四次復(fù)現(xiàn)全部失敗，人類科技被智子鎖死？

2021年8月，LLNL曾宣布了一項(xiàng)重大突破：破紀(jì)錄地產(chǎn)生了超過(guò)10萬(wàn)億瓦的高能聚變能量——雖然時(shí)長(zhǎng)只有一秒不到。

裝置將最初的光子脈沖放大并分成192道紫外線激光束后，在不到40億分之一秒的時(shí)間內(nèi)以大約1.9兆焦耳的能量擊中目標(biāo)（裝著冷凍的氘和氚），創(chuàng)造出只有在恒星和熱核彈中才能見(jiàn)到的溫度和壓力。

面對(duì)如此強(qiáng)大的脈沖能量，原子核會(huì)因核聚變釋放出一連串的粒子，并由此產(chǎn)生更多的聚變和更多的粒子，從而形成持續(xù)的聚變反應(yīng)。

根據(jù)定義，當(dāng)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過(guò)其消耗的能量時(shí)，就能成功「點(diǎn)火」。

而在8月的試驗(yàn)中，通過(guò)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，已經(jīng)占到了輸入能量的70%，可以說(shuō)非常接近點(diǎn)火了。

然而，在接下來(lái)進(jìn)行的4次試驗(yàn)中，都未能復(fù)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的結(jié)果。

其中效果最好的一次，也只達(dá)到了8月份實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生能量的50%。

對(duì)此，研究人員分析認(rèn)為，由于目前正處于聚變「點(diǎn)火」的臨界點(diǎn)附近，所以不同實(shí)驗(yàn)間微小、偶然的差異都會(huì)對(duì)結(jié)果造成巨大影響。

從重復(fù)實(shí)驗(yàn)的失敗中不難看出，研究人員在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍然無(wú)法精準(zhǔn)理解、操縱和預(yù)測(cè)這類高能實(shí)驗(yàn)。

甚至知友「氯甲烷」調(diào)侃稱：「我覺(jué)得人類科技可能真的被智子鎖死了」。

復(fù)刻核聚變?yōu)楹稳绱酥y？

這就要從核聚變反應(yīng)的條件說(shuō)起。

核聚變反應(yīng)發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。

等離子體是一種由正離子和自由移動(dòng)的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同于固體、液體和氣體的獨(dú)特性質(zhì)。

從左至右：固體，液體，氣體，等離子體

為了實(shí)現(xiàn)聚變，原子核需要在超過(guò)1000萬(wàn)攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。

一旦原子核克服了這種排斥力，并進(jìn)入彼此非常接近的范圍，它們之間的核力吸引力將超過(guò)電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。

要做到這一點(diǎn)，眾多原子核必須被約束在一個(gè)小空間內(nèi)，以增加碰撞的機(jī)會(huì)。

在太陽(yáng)中，存在巨大的引力，而這種引力所產(chǎn)生的極端壓力，正為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

然而，太陽(yáng)中有著能夠誘發(fā)核聚變的巨大引力，我們?nèi)祟悈s沒(méi)有這樣的自然條件。

在地球上，要想使氘和氚發(fā)生聚變，就需要超過(guò)1億攝氏度的溫度和強(qiáng)大的壓力，還需要充分的約束，才能使等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

現(xiàn)在，我們?nèi)祟惖膶?shí)驗(yàn)中已經(jīng)非常接近核聚變反應(yīng)堆所需的條件，但仍需改進(jìn)約束性能和等離子體的穩(wěn)定性。

來(lái)自50多個(gè)國(guó)家的科學(xué)家們，在不斷試驗(yàn)新材料，設(shè)計(jì)新技術(shù)。

不過(guò)，就像我們?cè)谏衔乃吹降?，許多實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)聚變，但并未實(shí)現(xiàn)凈功率增益。

而這次突破，是否意味著我們就要用上純粹的清潔能源了呢？其實(shí)并沒(méi)有。

首先，即使單純從數(shù)據(jù)上看，120%的能量?jī)粼霰壤匀皇沁h(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，如果要將核聚變技術(shù)落地實(shí)用，能量輸出必須至少比進(jìn)入的激光器的能量高出幾倍才有可能。

而且，這次實(shí)驗(yàn)中的NIF的激光器效率極低，也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)中供給激光器的能量中，只有很小一部分實(shí)際進(jìn)入了激光束中，實(shí)際參與了激發(fā)核聚變的反應(yīng)中，大部分能量都被浪費(fèi)掉了。

按照這種轉(zhuǎn)換效率，即使未來(lái)的激光器（比如固態(tài)激光器）能夠進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換效率，但距離100%的核聚變應(yīng)用，仍然是很遙遠(yuǎn)的事情。

但是至少，我們實(shí)現(xiàn)了從0到1的一步。

我國(guó)新一代「人造太陽(yáng)」再次取得進(jìn)展

早在20世紀(jì)50年代，我國(guó)也開(kāi)始了可控核聚變的研究。

與LLNL采用的「慣性約束聚變」方法不同，迄今為止大多數(shù)核聚變研究都采用名為「托卡馬克」的圓環(huán)形反應(yīng)堆。

它的原理是：在反應(yīng)堆內(nèi)，將氫氣加熱到足夠高的溫度，讓電子從氫原子核中剝離，形成等離子體（帶正電的核和帶負(fù)電的電子云）。磁場(chǎng)將等離子體困在圓環(huán)形狀的裝置內(nèi)，將原子核融合在一起，以中子的形式釋放出能量向外飛去。

2020年12月4日，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計(jì)、建造的新一代「人造太陽(yáng)」建成并實(shí)現(xiàn)了首次放電。

2022年10月，相關(guān)研究再次取得重大進(jìn)展——HL-2M等離子體電流突破100萬(wàn)安培（1兆安）。

這不僅創(chuàng)造了我國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，也標(biāo)志著我國(guó)核聚變研發(fā)距離聚變點(diǎn)火邁進(jìn)了重要一步。

HL-2M是我國(guó)目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置。

其核心參數(shù)是等離子體電流強(qiáng)度，而等離子體電流達(dá)到100萬(wàn)安培（1兆安）是其實(shí)現(xiàn)聚變能源的必要條件，未來(lái)托卡馬克聚變堆必須在兆安級(jí)電流下穩(wěn)定運(yùn)行。

此次突破意味著該裝置未來(lái)可以在超過(guò)1兆安培的等離子體電流下常規(guī)運(yùn)行，這對(duì)我國(guó)自主設(shè)計(jì)運(yùn)行聚變堆具有重要意義。

總結(jié)一下

人類歷史會(huì)被永遠(yuǎn)改變嗎？十小時(shí)后見(jiàn)分曉！