核聚变：这一突破性发现需要多长时间才能为您的房屋提供动力|每日速读

编者按：2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施的科学家创造了历史，成功地产生了核聚变反应，从而获得了净能量增益，这一突破被美国官员誉为“里程碑式的成就”和“清洁能源未来的里程碑”。

热核惯性聚变系统首次实现“净能量收益”

(资料图片仅供参考)

在2022年12月13日的发布会上，国家核安全管理局国防项目副局长马文亚当斯在发布会上介绍：

在12月5日的实验中，大约2兆焦耳激光能量进入反应器，大约释放3兆焦耳聚变能量，增加了1.5倍。

这次实验是在国家点火设施完成的，它通过所谓的“热核惯性聚变”从核聚变中产生能量。

在实验过程中，192个高能激光器汇聚在国家点火设施内部一个大约胡椒大小的目标上，将氘和氚胶囊加热到300万摄氏度以上，并模拟恒星的条件。

如何理解“净能量收益”？

在介绍所谓“净能量收益”之前，我们先回顾一下具体的实验装置，它的核心反应器装置包括：

1，接收激光束能量的Hohlraum黑腔；它决定了激光能量的利用效率。

2，位于Hohlraum黑腔中部的DT燃料胶囊；它大约1毫米大小；外壳是80微米厚的超硬碳HDC层，内部是55-65微米的DT燃料冰层和1000微米左右的DT蒸汽；总共大约有200微克的氘氚燃料。

激光通过Hohlraum黑腔聚焦在DT燃料胶囊引发氘氚内爆。

而惯性约束中，由于192条激光辐照到黑腔内壁产生的X射线只有10-15%被燃料胶囊吸收，所以这种“间接驱动”方案的能量利用率非常低：

如果输入激光能量Q1为1.9MJ，最后达到燃料中的能力只有10KJ。

而我们将此时DT燃料内爆产生的能量计为Q4，那么Q4/Q1便是此次内爆的能量增益。

黑腔内壁产生的X射线只有10-15%被燃料胶囊吸收

2021年8月8日的一次内爆中，实现了输入Q1=1.9MJ，输出聚变能量Q4=1.35MJ，能量增益Q4/Q1=0.7。

而2022年12月5日的一次内爆中，实现了输入Q1=2MJ，输出聚变能量Q4=3MJ，能量增益Q4/Q1=1.5。

因此，仅仅一年的时间，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的新内爆设计的能量增益便增加了1倍，并且首次超过1，也就是实现了“净能量收益”！

显而易见，这是一次重大的科学突破！

什么时间有机会实现聚变商业化？

Q4/Q1大于1，不代表已经可以实现聚变的商业化：

1，Q4是输入的激光能量，但是驱动激光需要额外的电能；

2，Q1是聚变输出能量，但是将聚变输出能量收集也有额外的损失。

因此，距离商用化还有非常复杂的、大量的工作：

1，需要弄清楚如何在更大范围内从核聚变中产生更多的能量。

2，科学家还需要收集聚变产生的能量，并将其作为电力传输到电网。

3，需要弄清楚如何最终降低核聚变的成本，以便它可以用于商业用途。

因此，美国此次惯性核聚变实现能量净收益，是聚变研究的一次里程碑式的标志性工作，但是距离商业化可能还需要数十年的时间。

结语

由于美国的发布会没有具体的技术资料，因此此次的内爆实验具体情况还要等正式的论文发表。

众所周知，美国近几年加大核聚变研究投入，并且吸引了数十亿美元的私人风险投资进入这个领域，因此每一年都会产生一些重大的突破。相比而言，中国在核聚变的商业化投资上略显落后，私人风险投资规模不到美国的十分之一。

Jim博士前文：美国为何在一家开发小型核聚变装置的初创企业上投入百亿资金？ 麻省理工学院教授：我的3位博士生如何创造了小型可控核聚变

因此，虽然美国此次的科学突破距离核聚变商业化还有很远距离，但是它无疑会大幅刺激政府和私人资本的更大规模的投入，并大幅加速聚变技术的发展。

参考资料

美国聚变突破可能改变世界能源未来 (cnbc.com)：https://www.cnbc.com/video/2022/12/13/us-fusion-energy-breakthrough-could-change-worlds-energy-future.html?&qsearchterm=fusion%20energy

核聚变突破：比用于产生反应的功率更大 (cnbc.com)：https://www.cnbc.com/2022/12/13/nuclear-fusion-passes-major-milestone-net-energy.html?&qsearchterm=fusion%20energy

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