美國可控核聚變實(shí)驗(yàn)，再次實(shí)現(xiàn)凈能量增益！

去年12月14日，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）首次實(shí)現(xiàn)可控核聚變點(diǎn)火成功，為全人類摘下清潔能源「圣杯」。

LLNL在向目標(biāo)提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。 

7月30日，該實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)了這一實(shí)驗(yàn)。這一次，能量輸出大于3.5兆焦耳，比12月那次更高。這種能量可以為家用熨斗供電一個(gè)小時(shí)。

人類離無限零碳電力又近了一步。

再次點(diǎn)火成功！

和去年年底一樣，這次的消息，依然是由英國《金融時(shí)報(bào)》曝出。

LLNL實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，這次的激光設(shè)施再次實(shí)現(xiàn)了能量增益，現(xiàn)正在對結(jié)果進(jìn)行分析。

自去年12月首次成功點(diǎn)火以來，研究者一直在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。7月30日的實(shí)驗(yàn)中，他們在NIF上再次點(diǎn)火成功。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在科學(xué)會(huì)議和同行評審出版物上發(fā)表。

未來能源路線或?qū)氐赘淖?/span>

簡單地說，「核聚變」就是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，并釋放出巨大能量的過程。

兩個(gè)氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質(zhì)量比原來的氫原子略小。根據(jù)愛因斯坦標(biāo)志性的E=mc2質(zhì)能方程，這個(gè)質(zhì)量差會(huì)轉(zhuǎn)化為能量爆發(fā)出來。

在太陽的核心，每秒都在發(fā)生6.2億噸氫的核聚變。產(chǎn)生的能量，是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚變的一大難題之一，就是如何讓核聚變反應(yīng)釋放的能量大于輸入的能量，并且讓過程可持續(xù)。

從上世紀(jì)50年代以來，無數(shù)的物理學(xué)家就一直希望從核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生比消耗更多的能量。

如果攻克了這個(gè)最大的難題，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。

也就是說，到了那時(shí)，就不再有煤和石油燃燒產(chǎn)生的溫室氣體，不再有危險(xiǎn)、長效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」。

這意味著進(jìn)入電氣時(shí)代后，一直困擾著人類的能源緊缺問題將從此消失。

人類甚至能在可控核聚變帶來的恒星級能源中，實(shí)現(xiàn)前所未有的科技突破。

NIF點(diǎn)火原理

20世紀(jì)60年代，LLNL的一組先鋒科學(xué)家就作出假設(shè)：激光可以用來在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中誘導(dǎo)核聚變。

隨后，在物理學(xué)家John Nuckolls的領(lǐng)導(dǎo)下，這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。

為了實(shí)現(xiàn)這一概念，LLNL建立了一系列越來越強(qiáng)大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強(qiáng)的NIF。

實(shí)驗(yàn)中，激光器模仿了太陽中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強(qiáng)大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

激光在進(jìn)入環(huán)空器后，會(huì)擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽中心還熱，并將其壓縮到地球大氣壓的1000億倍以上。

高能激光會(huì)使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會(huì)向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。

在內(nèi)爆時(shí)，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——也就是「點(diǎn)火」，隨之便會(huì)放出大量能量。

進(jìn)展正在加快

完成核聚變從0到1的這一步我們走了60年，但從1到100000我們只用了8個(gè)月。

倫敦帝國理工學(xué)院的Jeremy Chittenden說，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為LLNL 2021年的實(shí)驗(yàn)是人類歷史上可控核聚變真正的里程碑。

在這次實(shí)驗(yàn)中，證明了使用NIF的可控核聚變反應(yīng)堆能夠?qū)崿F(xiàn)。

而在2022年12月，被媒體瘋狂報(bào)道的人類第一次獲得的可控核聚變帶來的「凈增量能源」，只是2021年實(shí)驗(yàn)所證明的結(jié)果——對之前產(chǎn)量的進(jìn)一步提升。

這次實(shí)驗(yàn)也是如此，LLNL提取到的能量比前一次增加了。這表示科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)知道了如何把握實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)，以產(chǎn)生更多的能量。

但這距離NIF的激光完全燃燒反應(yīng)物產(chǎn)生的能量還差得遠(yuǎn)。

Chittenden表示在目前LLNL的實(shí)驗(yàn)中，僅有百分之幾的燃料被反應(yīng)了。

但這次LLNL所取得的進(jìn)步足以證明，在突破0到1的桎梏后，可控核聚變的進(jìn)步將一路狂飆。

核聚變發(fā)電問題已被解決？

但是這次成功點(diǎn)火，也并不意味著聚變發(fā)電已經(jīng)成功解決。

其中一個(gè)大問題，就是激光的低效。

雖然反應(yīng)堆的輸出高于激光的輸出，但激光本身效率非常低。為了產(chǎn)生2.1兆焦耳的能量，它們需要500萬億瓦特，這比整個(gè)美國國家電網(wǎng)的輸出還要多。（也就是此前屢屢被人調(diào)侃的35億美元燒開10壺水）

所以，以后的重大挑戰(zhàn)是，如何創(chuàng)造一個(gè)反應(yīng)，讓總能量需求達(dá)到平衡，而不僅僅是最后激光階段的反應(yīng)。

另一個(gè)問題是，NIF反應(yīng)堆只能點(diǎn)火一次，持續(xù)幾十億分之一秒，然后就必須花幾個(gè)小時(shí)冷卻組件，才能再次啟動(dòng)。

而如果想要將聚變反應(yīng)堆應(yīng)用于商業(yè)發(fā)電，就需要讓激光器每秒加熱目標(biāo)10次。這并非根本不可能，但從工程角度來看，是非常困難的。

并且，即使一個(gè)反應(yīng)堆可以長時(shí)間運(yùn)行，且通過激光抵消其真正的能量需求，它仍然只是達(dá)到了收支平衡。

如果想讓核聚變成為全新的能源方案，就必須能夠提取大量的凈能量。唯有如此，才能讓建造反應(yīng)堆的巨大成本物有所值。

另一種核聚變裝置：托卡馬克反應(yīng)堆

目前的核聚變反應(yīng)堆，通常使用以下兩種方法來產(chǎn)生所需的熱量：

• 磁約束反應(yīng)堆（托卡馬克環(huán)形反應(yīng)堆），除了輔助熱源外，還會(huì)使用磁鐵來加熱和容納氫原子；
• 基于激光的系統(tǒng)，則使用大量的激光脈沖來轟擊氫原子。

托卡馬克裝置的工作原理是，加熱到超過1億攝氏度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氫同位素等離子體，它們將會(huì)碰撞，而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。超級磁鐵產(chǎn)生的磁場隨后會(huì)將等離子體包含起來，以防止其破壞反應(yīng)堆。

而兩種反應(yīng)堆的最大區(qū)別，在于聚變反應(yīng)所需的時(shí)間。

磁反應(yīng)堆可以使聚變過程持續(xù)更長時(shí)間，但需要更多的能量；相比之下，基于激光的反應(yīng)堆，可以讓核聚變在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，而且現(xiàn)在已經(jīng)一定程度上跨過了凈能量增益的門檻。

在托卡馬克裝置中，需要依靠強(qiáng)磁場實(shí)現(xiàn)對高溫等離子體的約束，因此超導(dǎo)磁體是核心部件之一。

獲得同樣的聚變功率，提高磁場強(qiáng)度，能夠有效縮小托卡馬克裝置的規(guī)模和造價(jià)。