美国能源部宣布重大核聚变突破：国家点火装置实现净能量增益

美国的物理学家和能源部官员透露了一项突破，称有朝一日可能会产生真正的零碳能源。

上图：激光照射到容纳目标燃料舱的空腔。

美国能源部本周二上午宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的科学家在核聚变反应中实现了净能量增益，这是人类寻求可靠、零碳能源的一个引以为豪的目标。

(资料图)

成功的聚变反应并不是什么新鲜事，但该领域从一开始就一直在努力解决一个大问题：科学家们无法从反应中获得比他们必须投入的更多的能量。但现在，这已经实现了。

英国《金融时报》周日最先报道了美国加州国家点火装置（National Ignition Facility）的这一重大结果；这个消息今天得到了美政府官员的证实。在美国能源部新闻发布会上，科学家和政策专家描述了最近的这项突破。

核安全副部长兼国家核安全管理局局长吉尔·赫鲁比（Jill Hruby）在新闻发布会上说，实现点火意味着科学“向可能彻底改变世界的清洁能源迈出了初步的试探性步骤”。

美国能源部证实，该设施于美国东部时间12月5日凌晨1点实现了点火。美国国家核安全管理局（National Nuclear Security Administration）负责国防项目的副局长马文·亚当斯（Marvin Adams）直言不讳地解释了这一结果：“大约2兆焦耳输入，大约3兆焦耳输出。”

核聚变是一种热核反应，两个轻原子核融合形成一个较重的原子核。这个反应释放出巨大的能量 —— 爱因斯坦的 E = mc2 在起作用。核聚变是一种为恒星提供动力的反应，如果人类能够可靠而有效地在地球上重现这种反应，我们就可以大幅减少（如果不是完全放弃）肮脏的碳基燃料来源。（核电站依赖于核裂变，这是一种不同的过程，产生的能量比核聚变少，并会产生放射性废物，而核聚变则不会。）

核聚变可以通过不同的方式实现。国家点火设施（NIF）是最近取得突破的地点，它进行基于激光的核聚变。在最近的实验中，实验室的团队将192束激光聚焦在一个胡椒粒大小的目标附近，这个目标位于比镜子光滑100倍的钻石壳（靶仓）中，向目标传递的能量惊人，比你眨眼的速度快10亿倍。极端的温度（超过1亿华氏度）和压力（超过1000亿个地球大气压）在目标中诱导核聚变。

上图：激光惯性约束的靶仓。

马文·亚当斯说：“这一切以前都发生过，上百次了。但上周，他们第一次设计了这个实验，使聚变燃料保持足够的温度、足够的密度和足够的圆形，足够长的时间，从而将它点燃。它产生的能量比激光沉积的能量还要多。”

激光核聚变只是模拟太阳强烈物理现象的一种方式。科学家还可以在托卡马克和恒星器中催化核聚变，这些甜甜圈和油条形状的容器可以产生磁场来限制等离子体。激光核聚变是短暂的，发生在高压和高密度下，而磁聚变在低压力和低密度下工作很长一段时间。

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的物理学家、麻省理工学院与CFS合作项目的成员马丁·格林沃尔德（Martin Greenwald）表示，这一结果是“该领域成熟的标志，也是基础科学得到验证的标志”。但是，他说，要使这门科学在更大范围内成为一种实用的能源，还存在重大障碍。

马丁·格林沃尔德补充说：“虽然这是一项技术杰作，但这项实验所采用的一般方法需要技术的非凡进步，才能将其用作能源。对我们许多人来说，这似乎不太可能导致一个实用的核聚变动力系统。因此，我们正在寻求磁约束方法。”

在托卡马克中证明磁聚变技术可行性的最大努力之一是ITER，它在完成时将包含有史以来最大的超导磁体，重达23000吨。ITER的目标是产生比产生反应所需能量多10倍的能量。

同时，ITER的一位发言人也宣称 NIF 的结果是“核聚变能源的历史性成就”。

核聚变研究的一个长期说法是，通过核聚变实现清洁能源革命总是几十年以后的事。而劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔（Kim Budil）则表示：“我不认为是60年，也不认为是50年。我认为它正在走向前景，通过共同努力和投资，对基础技术进行几十年的研究，我们就能够建造一座发电厂。”

事情似乎变得越多，它们就越保持不变。

核聚变中最重要的字母可能是Q，它表示用于反应的功率与输出功率的比率。在今天之前，JET托卡马克保持着能量输出的纪录，Q值为0.67，这是早在20世纪90年代就创造的。

尽管国家点火设备的激光聚变是一个非常不同的实验装置，但它现在已经达到了Q值为1。

上图：国家点火设施的靶室。

但上周的点火有一些重大的警告：首先，需要大量的能量来为这些激光器供电，正如国家实验室主任金·布迪尔所说，大约需要300兆焦耳的能量来驱动激光向目标发射2兆焦耳的能量，产生3兆焦耳的聚变能量。

布迪尔说：“国家点火设施一直致力于创造这第一步。如果我们不能在实验室里点燃容器，你就看不到通向惯性约束聚变能源工厂的途径。所以这是必要的第一步。”

“现在我们有了一个可以点火的容器，我们需要弄清楚，我们能让它更简单吗？”布迪尔补充道。“我们能开始让这个过程变得更容易、更可重复吗？我们能开始一天多做几次吗？”

当然，12月5日点火的数据还需要进行更深入的分析，这有望为其他实验团队提供如何实现这些多重目标的信息。在新闻发布会后举行的技术小组会议上，Target 制造项目经理迈克尔·斯塔德曼（Michael Stadermann）表示，12月5日点火装置使用的壳存在缺陷，这意味着该团队希望在不久的将来也能达到或改进相同的结果。

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关键词： 托卡马克 等离子体