人类首次“核聚变点火”成功！离商业用电还有多远？

2022-12-14 15:12

人类“人造太阳”的梦想还有多远？

编译 | ZeR0

编辑 | 漠影

智东西12月14日报道，北京时间昨晚23点，美国能源部宣布一项重大科学突破：美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）首次实现激光核聚变“点火”。

该实验从可控核聚变中产生的3.15MJ能量，超过了驱动核聚变的2.05MJ激光能量。

这种获得能量比投入能量更多的情况，被称作“科学能量盈亏平衡”。

科学家希望通过探索和利用核聚变产生的能力，实现“人造太阳”的目标，为地球提供近乎无限的清洁能源。

聚变研究可以追溯到20世纪50年代初，科学家足足用了70年，才实现这一突破性进展。

然而，对于实际商业聚变能源来说，当前科学突破的进步意义仍然有限：取得这一进展的代价非常昂贵，NIF从电网消耗的能量，比它产生能量的100倍还多。

▲NIF目标舱（图源：LLNL）

01.

激光核聚变研究的阶段性胜利

核聚变是两个轻核结合形成一个较重的核并释放大量能量的过程。围绕这个方向的研究，LLNL创建了美国最大规模、能量最高的激光系统NIF。

据悉，NIF有一个体育场那么大，使用强大的激光束来产生类似于恒星和巨行星核心以及爆炸核武器内部的温度和压力。作为美国能源部核武器计划的旗舰实验设施，NIF最初目标是在2012年前实现点火，但因延误和成本超支而受到批评。

2021年8月，NIF科学家宣布他们已用高功率激光设备实现了创纪录的反应，该反应跨越了点火路径上的临界阈值。然而接下来几个月中复制该实验的努力未能实现，最终，科学家们重新考虑了实验设计，直至最近这次新实验的成功。

▲NIF中的圆柱体装置（图源：LLNL）

NIF设施用192台激光器将2.05MJ能量输送到一个豌豆大小的金圆柱体上。这个圆柱体装有氢同位素氘和氚的冷冻颗粒。激光束将氘和氚燃料球“打爆”，产生只有在恒星和热核武器中才能观察到的温度，氢同位素融合成氦，释放出额外的能量并产生一连串的聚变反应。

▲激光束转化成X射线，然后压缩燃料舱直至内爆（图源：LLNL）

实验分析表明，核聚变反应释放了大约3.15MJ的能量——比进入反应的能量多大约54%，是之前1.3MJ记录的两倍多。

不过，虽然聚变反应产生了超3.15MJ的能量，但NIF在此过程中消耗了高达322MJ的能量，大约是3.15MJ的102倍。

由此来看，NIF实验的成功，对通往商业聚变能的道路上的确产生了积极影响，但这一结果与发电所需的实际能量增益还有很长的路要走。

02.

距离广泛实用化，可能需要几十年

实现比激光输入能量略多的核聚变输出能量，引起了人们对清洁核聚变能源驱动未来的热议。但专家警告说，接下来还有很多要解决的挑战。

首先，就投入成本而言，NIF设施耗资35亿美元，其当前取得的进展相当于是投入100度电换来生成约1度电，离经济可行性还差得远。要探索商业化发电，输出能量的能量增益至少需提高百倍。

▲NIF目标室（图源：LLNL）

其次，发电厂需要稳定的电力，但是NIF每天最多能够执行一次实验性爆炸，而且每次爆炸都需要严苛的条件。工程挑战也摆在面前，包括设计和建造用于实际发电的工厂，使其可提取聚变产生的热量并将它转化为大量可用的电力。

最后是供应问题。氘还算丰富，但全世界的氚总供应量大约只有50磅。2020年，氚的市场成本接近100万美元/盎司。LLNL科学家估计，以NIF为模型的商业运作每天需要2磅。因此生产更多的氚将是一大供应挑战。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）主任Kim Budil坦言，要实现广泛、实用的核聚变，“可能需要几十年”。

全球范围内，还有许多其他实验正在尝试探索用不同方法实现能源应用的聚变。NIF采用的是惯性约束方法，欧盟、美国、中国、日本、俄罗斯、印度等合作的国际热核聚变实验堆（ITER）项目则在探索磁约束技术路线，即用磁场控制氘和氚等离子体，将其加热直至产生核聚变。中国团队在这个国际项目中承担的任务约占9%。

今年11月22日，在中国国际核聚变能源计划执行中心指导下，中国团队完成了全球最大“人造太阳”ITER的核心部件——被喻为ITER“防火墙”的增强热负荷第一壁全尺寸原型件的首件制造。这一实质性工程突破，为我国下一步建造聚变工程实验堆和商用电站奠定坚实基础。

03.

结语：迈向“终极能源”未来仍长路漫漫

太阳将氢合成氦的聚变反应产生了巨大的能量，人类希望从大自然的鬼斧神工汲取灵感，在地球上再造一颗能源源不断供给能源的“太阳”，帮助人们摆脱能源危机的困扰。

而NIF实验的历史性成功，证明了惯性约束聚变的可行性，有助于增强人们对核聚变清洁能源前景的信心，提高推广能源计划的可信度，并为各种能源应用相关的项目研究打开大门。

迈向清洁、安全、有效的“终极能源”未来，人类还有很长的路要走。NIF接下来的用途也备受关注。现在最大的问题是，美国能源部接下来要做什么：是加大核武器研究力度，还是优先推动利用核聚变发电的商业可行性研究？

来源：Nature，Big Think

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