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寫在前面的話：
環(huán)球零碳
碳中和領(lǐng)域的《新青年》
撰文 | 小博
編輯 | 郭郭
→這是《環(huán)球零碳》的第456篇原創(chuàng)
在全球氣候變暖和能源需求不斷增加之下，科學家一直希望以“核聚變”（又稱“核融合”）技術(shù)打造出“人造太陽”，獲得大量潔凈能源。
12月12日，有美英媒體報道，美國加州的科學家在此領(lǐng)域獲得“重要突破”，首次在核聚變反應中取得“能量凈增益”，即產(chǎn)生的能源大于消耗的能源。
英國《金融時報》和《華盛頓郵報》報道，加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)使用實驗性質(zhì)的核聚變反應爐，達成了“能量凈增益”（Net Energy Gain）。這代表研究人員首次成功在核聚變反應中，產(chǎn)生的能源大于消耗的能源，可望朝追求零碳能源邁出重大一步。
美國能源部與LLNL發(fā)言人表示，無法對上述報道發(fā)表意見或加以證實，但能源部長格蘭霍姆將于今日（12月13日）“宣布重大科學突破”。
LLNL發(fā)言人還說，“分析還在進行當中，期待周二分析完成時，能分享更多信息”。
核聚變研究旨在模仿太陽制造能源的方式，復制核反應，該反應能產(chǎn)生大量能源，且核廢料半衰期極短，被喻為零碳排的能源“圣杯”。理論上，一小杯氫燃料就可為一間房子供電長達數(shù)百年。
科學家自1950年代起就開始研究核聚變，不過，即使在實驗室獲得突破，核聚變至少還要十年甚至數(shù)十年后才可能投入商用。
圖說：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室
來源：Damien Jemison / theatlantic
01
美國核聚變突破有多大？
該消息最早由《金融時報》引述三名知情人士報導，美國LLNL運用一種稱為慣性局限聚變的過程，過去兩周在一次核聚變實驗中達到凈能量增益。
這種過程包括借由當今全球最大的激光，持續(xù)照射一個微小的氫電漿球。該聚變反應產(chǎn)生了大約 2.5 兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%。整個實驗數(shù)據(jù)分析仍在進行中。
這次實驗在LLNL內(nèi)耗資35億美元的“國家點火設(shè)施”（NIF）進行。NIF去年曾從一次核聚變反應制造出1.37兆焦耳，是當時照射激光能量的70%，是此前科學家最接近凈能量增益的一次。
知情人士說，這次實驗能源產(chǎn)出雖多于預期，卻造成部分判讀設(shè)備受損，使分析工作變復雜。
英國倫敦帝國學院學者特瑞爾（Arthur Turrell）博士指出，“如果獲證實，我們正見證歷史性時刻”。自20世紀50年代以來，科學家們一直在努力證明核聚變可以釋放比投入更多的能量，而LLNL的研究人員終于實現(xiàn)了這個數(shù)十年的目標。
該設(shè)施的反應堆是一個基于激光的慣性約束核聚變裝置，而不是大多數(shù)核聚變研究中正在使用的磁約束核聚變裝置。
02
什么是核聚變
要了解核聚變，首先需要了解核能（又稱“原子能”），這是一種通過核反應從原子核釋放的能量，符合愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2 ，其中E=能量，m=質(zhì)量，c=光速。
核能可通過三種核反應之一釋放：
1.
核裂變，較重的原子核分裂釋放結(jié)合能。
2.
核聚變，較輕的原子核聚合在一起釋放結(jié)合能。
3.
核衰變，原子核自發(fā)衰變過程中釋放能量。
目前世界上大多數(shù)核電站，都是通過核裂變來獲得能量。核裂變是從原子核分裂中獲得能量，例如鈾會分裂成兩個較細的原子核和放出能量。核裂變可以是自發(fā)或誘發(fā)的，所以巨大的原子核普遍是 不穩(wěn)定的，它們有可能會自發(fā)分裂。
原子核受其他粒子的撞擊也會發(fā)生裂變，例如鈾受中子撞擊會實時分裂。
而核聚變則是通過將原子核結(jié)合而釋放能量。這個過程是指將兩個較輕的核結(jié)合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。
兩個較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量耗損并釋放出巨大的能量。舉個例：兩個質(zhì)量小的原子，比方說兩個氘原子，在一定條件下（如超高溫和高壓），會發(fā)生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴隨著巨大的能量釋放。
太陽發(fā)出的光和熱就是由氫核聚變反應 (變成氦) 所產(chǎn)生的。所以也有人把核聚變稱作“人造太陽”。
啟動和維持聚變反應所需的條件比較苛刻——需要超過1億攝氏度的溫度，以達到發(fā)生反應所需足夠高的粒子密度。由于聚變反應只能在這種極端條件下發(fā)生，因此不可能出現(xiàn)“失控”鏈式反應。
此外，核聚變不產(chǎn)生高放射性、長壽命的核廢物。所以一般而言，核聚變比核裂變要安全。
在過去的幾十年里，熱核聚變研究形成了兩大分支，一是磁約束聚變，主攻方向是托卡馬克裝置（比如中國的東方超環(huán) (EAST) 和國際熱核聚變實驗堆(ITER)），另外還有仿星器，反向場箍縮及磁鏡等裝置。另一平行研究分支是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，這次美國LLNL使用的就是激光聚變。另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。
圖說：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室技術(shù)人員在檢查前置放大器支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的光學器件
來源：APnews
03
核聚變商業(yè)化短期內(nèi)很難實現(xiàn)
核聚變能提供無碳電力，有助于應對氣候變化，確實給人類清潔能源提供了非常具有想象力的未來。包括比爾 · 蓋茨、杰夫 · 貝佐斯、約翰 · 杜爾和谷歌等在內(nèi)的商業(yè)大佬和知名企業(yè)，都向核聚變公司投入了大量資金。根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，私營企業(yè)去年就獲得了超過 28 億美元的融資，近年來總共獲得了約 50 億美元融資。
這一次，面對加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的新突破，科學家和能源行業(yè)專家似乎普遍感到興奮，但許多人也強調(diào)，這并不意味著我們很快就會建造核聚變發(fā)電廠，或者讓核聚變電能為我們的飛行汽車提供動力。
倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任 Jeremy Chittenden 評價說：“盡管從核聚變中獲得凈能量是一件大事，但跟為電網(wǎng)供電和為建筑物供暖所需的能量相比，它的規(guī)模要小得多。這只相當于燒開10壺水。為了把它變成一個發(fā)電站，我們需要獲得更多的能源。”
正如《華盛頓郵報》在關(guān)于該實驗的報道中指出的那樣，未來的科學和工程障礙仍然巨大：
要獲得凈能量，需要使用世界上最大的激光器之一，并且需要巨大的資源來重建反應，使聚變適用于能源生產(chǎn)所需的規(guī)模。
更重要的是，工程師們還沒有開發(fā)出能夠以負擔得起的價格將這種反應轉(zhuǎn)化為電力的機械，這些電力實際上可以部署到電網(wǎng)中。
科學家說，建造足夠大的設(shè)備來產(chǎn)生大規(guī)模的聚變電力，將需要非常困難的材料來生產(chǎn)。與此同時，該反應會產(chǎn)生中子，給制造該反應的設(shè)備帶來巨大的壓力，這種壓力可能會把設(shè)備摧毀。
效率和凈能量收益也是一個問題。
要使反應堆普遍有用，它必須產(chǎn)生比最初投入激光的能量更多的能量。從電力產(chǎn)生激光的效率非常低下。據(jù)估計，如果激光輸出2.1兆焦耳的能量，那么美國這套“國家點火設(shè)施”（NIF）將不得不從電網(wǎng)中獲得數(shù)十兆焦耳的能量才能實現(xiàn)這一目標。
即使反應堆能夠抵消激光所需的真實能量，它也只能實現(xiàn)收支平衡。為了使核聚變成為現(xiàn)有能源的可行替代品，我們必須能夠提取大量的凈能源。
彭博社引述專家解釋說，在這種系統(tǒng)中，由于廢熱和噪音而損失的能量，意味著它們的熱效率通常低于50%。
簡而言之，這一突破絕對意義重大，值得興奮，但距離提供有用、豐富、清潔的能源還有很長的路要走，商業(yè)化的聚變能源生產(chǎn)還需要幾十年的時間，不應被視為很快就能解決世界能源或氣候變化問題的靈丹妙藥。
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參考資料：
[1]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7
[2]https://www.theatlantic.com/technology/archive/2022/12/department-of-energy-nuclear-fusion-breakthrough-nif-livermore/672439/
[3]https://www.photonics.com/Articles/LLNLs_Nuclear_Fusion_Breakthrough_Offers_Step_to/a68579
[4]https://nymag.com/intelligencer/2022/12/how-big-is-the-u-s-fusion-breakthrough.html
[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752074632294928013&wfr=spider&for=pc
[6]https://www.sciencemediacentre.org/expert-reaction-to-fusion-announcement-from-the-lawrence-livermore-national-laboratory/
[7]https://new.qq.com/rain/a/20221213A03H1300
注：首圖來源于Laser Indirect Drive input to NNSA 2020 Report
END
