当地时间13日，美国能源部官员宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任还表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。就此有网友表示，不知道有生之年能不能看到可控核聚变商用。

这次实验做了些啥？

北京时间2022年12月13日23点，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布，该机构的国家点火装置（NIF）成功首次实现了能量输出大于激光能量输入的可控核聚变反应。据悉，驱动核聚变的激光输入能量大约2.1兆焦，而聚变输出的能量大约2.5兆焦，用术语来讲就是实现了大于1的能量增益（实现盈利）。

要注意的是，如果考虑到从电能到激光能量的转换效率，整体的能量增益尚未大于1（尚未盈利）。但这的确是一项非常重要的进展，人类在实用化可控核聚变的道路上又前进了一大步。

图注：NIF的前置激光放大器。早在2012年就实现了500太瓦的瞬时峰值输出功率，几乎相当于美国全境用电功率的1000倍。

这种利用激光打靶实现核聚变的方式是一种“惯性约束核聚变”。简单讲，科学家利用强激光脉冲快速注入核聚变材料中，在聚变材料还没来得及散开的情况下达到点火条件，瞬间实现聚变反应。

图注：NIF激光惯性核聚变使用的燃料靶丸，里面可盛放氘氚气体。

图注：激光打靶腔室。

为何“净能量增益”具有巨大意义？

据国际原子能机构的定义，核聚变反应是模仿太阳的能量转换过程，使较轻的原子核结合成较重的原子核。这一过程会释放出巨大能量。理论上，几克反应物就可产生一太（即一万亿）焦耳的能量，而这大约是发达国家一个人在60年内所需的能量。此外，核聚变反应不会排放二氧化碳和核废料。

核聚变实验成功的关键就在于“净能量增益”，即得到的能量大于投入的能量。自20世纪50年代以来，人类还没有能够从核聚变反应中实现“净能量增益”。

据悉，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的整个实验设施耗资35亿美元，用近200台激光器组成阵列，阵列有三个足球场那么大。实验过程涉及用世界上最大的激光轰击一小粒氢等离子体，基本上以每秒50次的速度产生一系列极快的重复爆炸，以启动核聚变反应。

两名了解该实验结果的消息人士称，由于能量输出高于预期，一些设备损坏，后续分析变得很复杂。这也意味着人类首次在核聚变反应中实现了净能量增益。

比太阳能还省钱的清洁能源？

据外媒报道，虽然这项科技距离建立“核聚变发电站”可能还有数十年，但它的重要突破性在于首次实现了净能量增益。

一直被称为零碳排能源“圣杯”的核聚变反应因为与太阳产生能量的原理相同而被称为“小太阳”。在今年3月，白宫曾宣布，将在未来几十年持续投资加速核聚变的商业发展，因为核聚变预示了“彻底改变能源行业”的可能，而这也将帮助应对气候危机，同时满足美国和世界日益增长的电力需求。

美媒援引能源专家指出，与太阳能或风能等其他清洁能源选择相比，核聚变使用的资源也更少。它的主要燃料由两种氢同位素组成，即可以在水中找到的氘和可以从锂中提取的氚，而1克氘和氚所产生的能量相当于大约2400加仑石油所产生的能量。

利哈伊大学机械工程与力学系教授舒斯特表示：“以我们拥有的技术，目前核聚变发电厂发生核事故的可能性几乎为零。”外媒援引其他能源专家的话称，核聚变一直被认为可以为贫困地区提供廉价动力，理论上说，一小杯氢燃料就可以为一栋房子提供数百年所需的电力资源。

“与煤炭不同，你只需要少量的氢，而氢是宇宙中发现的最丰富的东西。”LLNL前首席能源技术专家弗里德曼表示，“氢存在于水中，因此产生这种能量的物质是无限的，而且是干净的。”

离商业化还有多远？

人类距离实现可控核聚变的实际应用还有多远？关于这个问题，业内一直存在一种戏称：核聚变是一项距离成功“永远还有50年”的技术。

多位国内外聚变能源学者曾表示，这种说法一方面折射了核聚变科研和工程技术的难度，另一方面，也与早期人们对核聚变的研究不够深入有关：随着研究逐步推进就会发现，有很多过去没想到的技术挑战又凸显出来，攻克这些未知的挑战又需要时间。可控核聚变的科学可行性已经在上个世纪90年代得以证实，但其商业化发电依然遥远。

能源专家表示，加州实验室设施的反应堆是一种基于激光惯性约束的聚变装置，而不是大多数聚变研究中使用的磁约束聚变装置。尽管离商业化还有“一段路程要走”，但专家表示，现在科学家们已经证明了，他们可以输出比投入时更多的能源，这是开发一项新能源的必需步骤。

“从能源的角度来看，科学界一直在追求输出的能量超过输入的能量。”弗里德曼说，“之前的突破都很重要，但这与有朝一日可以生产出大规模的能源是不在一个级别的。”

有专家指出，科学家和专家们现在需要寻找如何从更大规模的核聚变中产生更多的能量。与此同时，他们需要弄清楚如何最终降低核聚变的成本，使其能够在商业上运用。

“目前，我们为所做的每项实验都花费了大量的时间和金钱。”伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任奇滕登表示，“我们需要大幅降低成本。”

此外，科学家们还需要将聚变产生的能量作为电能输送到电网。专家表示，核聚变能够产出无限量的清洁能源可能还需要数年，甚至数十年的时间。

相关新闻

“人造太阳”受关注

核聚变反应首次实现净能量增益，这将意味着这种为太阳提供能量的过程有朝一日有望为地球提供无限、廉价、清洁的能源。今年10月我国新一代“人造太阳”科学研究取得突破性进展，等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新纪录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步，跻身国际第一方阵，技术水平居国际前列。

炬光科技高功率半导体激光产品被应用于有“人造太阳”之称的国家惯性约束可控核聚变试验装置重大项目。

国光电气为我国参与的国际科研合作项目“国际热核聚变实验堆计划（ITER计划）”提供了核心设备，包括偏滤器、屏蔽模块热氦检漏设备等产品。

上游新闻综合金融界、澎湃新闻、财联社、中新网、钛媒体等

编辑：李周芳

责编：吴金明

审核：冯飞

举报