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北京時間12月13日，美國能源部宣布了一項(xiàng)重大科學(xué)進(jìn)展。美國能源部下屬的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)國家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）的一個團(tuán)隊(duì)首次成功在可控核聚變反應(yīng)中“點(diǎn)火”，即在實(shí)驗(yàn)中做到產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。
“核聚變研究自 20 世紀(jì) 50 年代初就一直在進(jìn)行，這是實(shí)驗(yàn)室中首次發(fā)現(xiàn)聚變產(chǎn)生的能量超過消耗的能量。”紐約羅切斯特大學(xué)核聚變實(shí)驗(yàn)室的前主任邁克爾·坎貝爾（Michael Campbell）說。安全可控的核聚變技術(shù)一直是科學(xué)界的攻堅(jiān)對象，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓人們看到了核聚變商業(yè)化的可能性。美國能源部長詹妮弗格蘭霍姆（Jennifer Granholm）將這一突破形容為“21世紀(jì)最令人印象深刻的科學(xué)壯舉之一”。她在發(fā)布會上表示，核聚變的商業(yè)化，可能會在未來幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但大概率不是之前說的50—60年。到了那一天，人類可以使用幾乎無碳的電力，這對于地球的生態(tài)環(huán)境意義重大。一次具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn) 
△NIF慣性約束聚變反應(yīng)的原理。圖源/金融時報這次成功的實(shí)驗(yàn)開始于美國當(dāng)?shù)貢r間12月5日。研究人員將 192 束巨型激光射入一個橡皮擦大小的圓柱體，強(qiáng)烈的能量將容器加熱到超過 300 萬攝氏度，容器內(nèi)裝有胡椒粒大小的燃料顆粒：氘和氚。氘和氚在非常高的壓力和溫度下迅速聚在一起，引發(fā)了類似火箭的內(nèi)爆。
在持續(xù)不到十億分之一秒的微小火焰中，激光輸入了2.05兆焦耳能量，聚變的原子核釋放出 3.15 兆焦耳的能量，后者除以前者大于1，實(shí)現(xiàn)凈能量增益。在此實(shí)驗(yàn)之前，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于產(chǎn)生它所需的能量，一直是科學(xué)界難以攻克的高峰，也是科學(xué)家們自原子時代就不停探索的課題。LLNL實(shí)驗(yàn)室此前最好的成績，僅達(dá)到約70%的凈能量增益。用LLNL實(shí)驗(yàn)室主任金伯利·布迪爾（Kimberly Budil ）的話來說，“驅(qū)動科學(xué)家跨越這一阻礙的，是60年持之以恒的付出。”盡管許多科學(xué)家認(rèn)為核聚變發(fā)電站還需要幾十年的時間，但這項(xiàng)技術(shù)的潛力不容忽視。首先，核聚變反應(yīng)不需要燃燒化石燃料，因而不排放碳。此外，核聚變也不產(chǎn)生長壽命的放射性廢物，而這正是現(xiàn)行核裂變核電站“令人頭疼”的一點(diǎn)。另外，從原理上看，核聚變所產(chǎn)生的能量比核裂變反應(yīng)效率更高，平均每個核子放出的能量是核裂變的3-4倍，一小杯氫燃料理論上可以為一所房子提供數(shù)百年的能源。
因而，核聚變產(chǎn)生的能量被視為世界上最清潔、安全的能源之一，被比做清潔能源的“圣杯”。美國國會議員唐·拜耳（Don Beyer）說：“核聚變有可能讓世界上更多人口擺脫貧困，這比火種發(fā)明以來的任何事情都要多。”拜登政府投入近3700億美元用于低碳能源的補(bǔ)貼，以努力減少排放，期冀贏得新一輪全球能源革命的勝利。大多數(shù)氣候科學(xué)家和政策制定者也表示，要實(shí)現(xiàn)全球升溫在2攝氏度以內(nèi)的目標(biāo)，或者更高的1.5攝氏度的目標(biāo)，世界必須在 2050 年之前實(shí)現(xiàn)碳中和。
△為了產(chǎn)生聚變點(diǎn)火，國家點(diǎn)火裝置的激光能量在空腔內(nèi)轉(zhuǎn)化為 X 射線，然后壓縮燃料艙直至內(nèi)爆，產(chǎn)生高溫高壓等離子體。圖源/LLNL官網(wǎng)“雖然是個好消息，但這一結(jié)果距離發(fā)電所需的實(shí)際能量增益，還有很長的路要走，”英國劍橋大學(xué)的核能研究員托尼（Tony Roulstone）在給科學(xué)媒體中心的一份聲明中表示。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然實(shí)現(xiàn)了研究人員所說的科學(xué)收支平衡或能量增益，但并未實(shí)現(xiàn)工程收支平衡：實(shí)驗(yàn)最終產(chǎn)生了大約 3 兆焦耳的能量，但 NIF 產(chǎn)生短暫的2.05兆焦耳激光脈沖，需要從電網(wǎng)中提取 300 兆焦耳的能量。這意味著 NIF 實(shí)驗(yàn)的效率需要提高一百倍才能完全收回成本。
LLNL武器物理和設(shè)計(jì)項(xiàng)目主任馬克·赫爾曼（Mark Herrmann）在接受《紐約時報》采訪時也指出，可能需要增益30—100倍才能讓聚變能發(fā)電廠成為可能。 “這就像我們要花費(fèi)多少能量來煮沸 10 壺水。” 倫敦帝國理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任杰里米·奇滕登 (Jeremy Chittenden) 在接受CNN采訪時表示。此次實(shí)驗(yàn)中釋放的3.15兆焦耳的能量大概可以燒開10壺水（1.1兆焦耳大約是 0.3千瓦時，燒開一壺水大約需要0.2千瓦時），他繼續(xù)表示，“為了把它變成一個發(fā)電站，我們需要讓它更加可持續(xù)，我們需要大幅降低成本。”“可重復(fù)”是聚變能商業(yè)化的另一堵點(diǎn)。美國另一國家實(shí)驗(yàn)室聚變能部門的主任米奇·韋德（Mickey Wade）指出，現(xiàn)在的激光器需要幾個小時才能冷卻，這使得激光轟擊發(fā)電廠的設(shè)想（雖然聽起來非常棒）完全不可能。
他認(rèn)為，未來的“慣性安全殼”反應(yīng)堆需要像汽車發(fā)動機(jī)一樣工作，每秒產(chǎn)生幾次微型爆炸。根據(jù)韋德的看法，接下來聚變能商業(yè)化要做的是延長這些反應(yīng)的時間，至少維持在數(shù)十秒甚至數(shù)百秒。例如，ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆）的目標(biāo)是連續(xù)維持聚變反應(yīng)至少 400 秒。
△2022 年 12 月 5 日，LLNL 國家點(diǎn)火設(shè)施的靶室，其中 192 束激光束將超過 200 萬焦耳的紫外線能量傳送到一個微小的燃料顆粒，以產(chǎn)生聚變點(diǎn)火。圖源/LLNL官網(wǎng)曾在華盛頓美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任激光聚變項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的物理學(xué)家斯蒂芬·博德納 (Stephen Bodner) 認(rèn)為，現(xiàn)在最大的問題是美國能源部接下來要做什么，是加倍在 NIF 進(jìn)行武器研究，還是轉(zhuǎn)向面向聚變能研究的激光項(xiàng)目。 國家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）計(jì)劃起初不是為了制造電力而設(shè)計(jì)；相反，它是美國核武器“庫存管理”計(jì)劃的一部分。“NIF并不是為了高效而設(shè)計(jì)的，它被設(shè)計(jì)成最大的激光器，為我們提供庫存管理計(jì)劃所需的數(shù)據(jù)。”馬克·赫爾曼指出。諸多專家認(rèn)為，聚變能實(shí)驗(yàn)的下一個重大進(jìn)展不太可能來自 NIF 。
那新的突破可能從哪里產(chǎn)生？從國家到公司，源源不斷的資金正涌向核聚變相關(guān)項(xiàng)目。據(jù)美國聚變工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，截至2022年年底，核聚變公司報告的私人承諾投資總額超過47億美元。同時，美國聯(lián)邦資金的支持也有所增加。拜登簽署的《通脹削減法案》為聚變項(xiàng)目提供了數(shù)百萬的新資金。白宮今年3月召開了首次核聚變峰會，在峰會上制定了聚變技術(shù)商業(yè)化的 10 年計(jì)劃。 斯蒂芬·博德納表示，他過去一直對核聚變持謹(jǐn)慎態(tài)度，但在過去幾年里，他開始相信，如果美國將重點(diǎn)從“武器”轉(zhuǎn)移到“能源生產(chǎn)”，聚變計(jì)劃就有可能成功。
在這場大型的科研競賽中，美國外的其他大國也一直沒有缺席。2020年，被稱為“世界上最大的核聚變項(xiàng)目”ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆）在經(jīng)歷近10年的延宕后，在法國開始組裝。該項(xiàng)目由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七個成員國共同參與，耗資逾220億美元，旨在探索清潔聚變能規(guī)模生產(chǎn)的可能性。中國也在不斷探索自主可控的核聚變技術(shù)。2017年12月，中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）在安徽合肥正式啟動工程設(shè)計(jì)，按計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2035年，該項(xiàng)目將建成聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，并開始大規(guī)模科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
撰文：《中國報道》見習(xí)記者 李士萌
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