核聚變發(fā)電研究突破“聚變點(diǎn)火”里程碑

By Justine Calma / @justcalma

Updated Dec 14, 2022, 1:10 AM GMT+8

研究人員首次創(chuàng)造了一種能產(chǎn)生凈能量的聚變反應(yīng)。加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，標(biāo)志著在利用核聚變產(chǎn)生清潔能源的漫長(zhǎng)道路上邁出了重要一步。

白宮科技政策辦公室主任Arati Prabhakar今天在華盛頓特區(qū)舉行的新聞發(fā)布會(huì)上宣布了這一成就，他說(shuō):“上周，你瞧，他們確實(shí)向一個(gè)燃料顆粒****了一堆激光，聚變點(diǎn)火釋放的能量比激光進(jìn)入的能量還要多?！薄拔抑皇钦J(rèn)為這是一個(gè)非常好的例子，證明了毅力真的可以取得成功?！?/p>

“這是毅力所能成就的偉大榜樣”

當(dāng)原子相互碰撞時(shí)，核聚變就發(fā)生了，“聚變”產(chǎn)生一個(gè)更重的原子，并在這個(gè)過(guò)程中釋放能量。在太陽(yáng)和其他恒星中，氫原子核融合在一起，產(chǎn)生氦并產(chǎn)生巨大的能量。為了在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變，人類必須將原子加熱到極高的溫度——數(shù)百萬(wàn)攝氏度，這就是為什么達(dá)到凈能量增益是如此令人生畏的原因。

在這種情況下，當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月5日凌晨1點(diǎn)03分，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室使用了192束強(qiáng)大的激光束，擊中了一個(gè)只有胡椒粒大小的氫同位素固體目標(biāo)。目標(biāo)被包裹在一個(gè)精心制作的鉆石外殼中。

            一位藝術(shù)家對(duì)NIF實(shí)驗(yàn)中使用的燃料膠囊的插圖。            圖片:LLNL

“今天的貝殼幾乎是完美的圓形。它們比鏡子光滑100倍，它們有一個(gè)微小的管道，直徑約為頭發(fā)的50分之一，燃料通過(guò)這個(gè)管道被填充到外殼中，”勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)制造項(xiàng)目經(jīng)理邁克爾·斯塔德曼說(shuō)?！澳憧梢韵胂?，完美真的很難，所以我們還沒(méi)有達(dá)到那一步——我們的殼上還有小瑕疵，比細(xì)菌還小?！?/p>

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量，比用于觸發(fā)反應(yīng)的2.05兆焦耳的激光多出了50%左右。通過(guò)這樣做，研究人員達(dá)到了科學(xué)的能量收支平衡，實(shí)現(xiàn)了所謂的“聚變點(diǎn)火”。

利用核聚變可能是革命性的——給人們提供豐富的能源，而不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放或長(zhǎng)期放射性廢物的嚴(yán)重副作用。然而，要做到這一點(diǎn)，需要克服巨大的工程障礙。經(jīng)過(guò)幾十年的試驗(yàn)，今天的聲明代表著克服其中一個(gè)障礙的一個(gè)小而重要的勝利。但在核聚變實(shí)現(xiàn)清潔能源夢(mèng)想之前，還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走。

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，美國(guó)政府一直在資助核聚變能源研究。在世界各地，這種追求已經(jīng)獲得了數(shù)百億美元的資金。到去年年底，英國(guó)聯(lián)合歐洲環(huán)面(JET)的科學(xué)家已經(jīng)從核聚變中產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的59兆焦耳能量。最大的問(wèn)題是，到目前為止，實(shí)驗(yàn)室里的核聚變產(chǎn)生的能量還不能超過(guò)反應(yīng)發(fā)生時(shí)所需的能量。

這是一個(gè)重要的里程碑，但仍有一些重要的警告需要注意。關(guān)鍵的一點(diǎn)是，能源部的勝利僅僅是基于激光的輸出，而激光的效率非常低。它需要從電網(wǎng)中獲得300兆焦耳的能量來(lái)獲得這2兆焦耳的激光能量。因此，今天的公告取決于“凈能源收益”的有限定義。

激光并不是實(shí)現(xiàn)核聚變的唯一途徑。包括JET在內(nèi)的其他努力涉及一種名為托卡馬克的磁性裝置，用于限制和加熱等離子體。無(wú)論采用何種方法，我們都可能在幾十年后才能以這種方式在發(fā)電廠發(fā)電。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要更多的資金和漸進(jìn)的勝利，今天的聲明就是其中之一。

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任Kim Budil在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō):“有了真正的投資和真正的關(guān)注，這個(gè)時(shí)間表會(huì)越來(lái)越近?！薄霸诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間里，我們一直處于一個(gè)沒(méi)有接近的位置，對(duì)吧?因?yàn)槲覀冃枰谝粋€(gè)基本步驟。所以我們今天處于一個(gè)很好的位置，可以開始了解下一步需要做些什么?！?/p>

首先，科學(xué)家們需要再次達(dá)到點(diǎn)火的目的?！斑@是一個(gè)點(diǎn)火膠囊，一次。要實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變能源，你必須做很多事情;你必須能夠每分鐘產(chǎn)生很多很多聚變點(diǎn)火事件，”Budil說(shuō)。“不僅在科學(xué)方面，而且在技術(shù)方面都存在非常重大的障礙?！?/p>

其中一個(gè)障礙是，未來(lái)任何研究中使用的激光都需要更高效。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的系統(tǒng)被稱為國(guó)家點(diǎn)火裝置，是世界上最大、能量最高的激光器，比三個(gè)足球場(chǎng)還大。但它仍然是基于上世紀(jì)80年代的技術(shù)?，F(xiàn)代激光器的效率更高，未來(lái)的努力可能會(huì)嘗試將更新的技術(shù)納入實(shí)驗(yàn)。

“這表明這是可以做到的。越過(guò)這一門檻，他們就可以開始研究更好的激光器，更有效的激光器，更好的安全殼等?！薄拔覀冃枰綘I(yíng)部門參與進(jìn)來(lái)。這一突破得到了大量美國(guó)公共資金的投入，這一點(diǎn)非常重要，但我們將采取的所有必要步驟，使其達(dá)到商業(yè)水平，仍然需要公共研究和私人研究。”