文|智東西
編譯|ZeR0
智東西12月14日報道，北京時間昨晚23點，美國能源部宣布一項重大科學突破：美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）首次實現(xiàn)激光核聚變“點火”。
該實驗從可控核聚變中產(chǎn)生的3.15MJ能量，超過了驅(qū)動核聚變的2.05MJ激光能量。
這種獲得能量比投入能量更多的情況，被稱作“科學能量盈虧平衡”。
科學家希望通過探索和利用核聚變產(chǎn)生的能力，實現(xiàn)“人造太陽”的目標，為地球提供近乎無限的清潔能源。
聚變研究可以追溯到20世紀50年代初，科學家足足用了70年，才實現(xiàn)這一突破性進展。
然而，對于實際商業(yè)聚變能源來說，當前科學突破的進步意義仍然有限：取得這一進展的代價非常昂貴，NIF從電網(wǎng)消耗的能量，比它產(chǎn)生能量的100倍還多。
01.激光核聚變研究的階段性勝利
核聚變是兩個輕核結合形成一個較重的核并釋放大量能量的過程。圍繞這個方向的研究，LLNL創(chuàng)建了美國最大規(guī)模、能量最高的激光系統(tǒng)NIF。
據(jù)悉，NIF有一個體育場那么大，使用強大的激光束來產(chǎn)生類似于恒星和巨行星核心以及爆炸核武器內(nèi)部的溫度和壓力。作為美國能源部核武器計劃的旗艦實驗設施，NIF最初目標是在2012年前實現(xiàn)點火，但因延誤和成本超支而受到批評。
2021年8月，NIF科學家宣布他們已用高功率激光設備實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的反應，該反應跨越了點火路徑上的臨界閾值。然而接下來幾個月中復制該實驗的努力未能實現(xiàn)，最終，科學家們重新考慮了實驗設計，直至最近這次新實驗的成功。
NIF設施用192臺激光器將2.05MJ能量輸送到一個豌豆大小的金圓柱體上。這個圓柱體裝有氫同位素氘和氚的冷凍顆粒。激光束將氘和氚燃料球“打爆”，產(chǎn)生只有在恒星和熱核武器中才能觀察到的溫度，氫同位素融合成氦，釋放出額外的能量并產(chǎn)生一連串的聚變反應。
實驗分析表明，核聚變反應釋放了大約3.15MJ的能量——比進入反應的能量多大約54%，是之前1.3MJ記錄的兩倍多。
不過，雖然聚變反應產(chǎn)生了超3.15MJ的能量，但NIF在此過程中消耗了高達322MJ的能量，大約是3.15MJ的102倍。
由此來看，NIF實驗的成功，對通往商業(yè)聚變能的道路上的確產(chǎn)生了積極影響，但這一結果與發(fā)電所需的實際能量增益還有很長的路要走。
02.距離廣泛實用化，可能需要幾十年
實現(xiàn)比激光輸入能量略多的核聚變輸出能量，引起了人們對清潔核聚變能源驅(qū)動未來的熱議。但專家警告說，接下來還有很多要解決的挑戰(zhàn)。
首先，就投入成本而言，NIF設施耗資35億美元，其當前取得的進展相當于是投入100度電換來生成約1度電，離經(jīng)濟可行性還差得遠。要探索商業(yè)化發(fā)電，輸出能量的能量增益至少需提高百倍。
其次，發(fā)電廠需要穩(wěn)定的電力，但是NIF每天最多能夠執(zhí)行一次實驗性爆炸，而且每次爆炸都需要嚴苛的條件。工程挑戰(zhàn)也擺在面前，包括設計和建造用于實際發(fā)電的工廠，使其可提取聚變產(chǎn)生的熱量并將它轉化為大量可用的電力。
最后是供應問題。氘還算豐富，但全世界的氚總供應量大約只有50磅。2020年，氚的市場成本接近100萬美元/盎司。LLNL科學家估計，以NIF為模型的商業(yè)運作每天需要2磅。因此生產(chǎn)更多的氚將是一大供應挑戰(zhàn)。
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）主任Kim Budil坦言，要實現(xiàn)廣泛、實用的核聚變，“可能需要幾十年”。
全球范圍內(nèi)，還有許多其他實驗正在嘗試探索用不同方法實現(xiàn)能源應用的聚變。NIF采用的是慣性約束方法，歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、印度等合作的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目則在探索磁約束技術路線，即用磁場控制氘和氚等離子體，將其加熱直至產(chǎn)生核聚變。中國團隊在這個國際項目中承擔的任務約占9%。
03.結語：邁向“終極能源”未來仍長路漫漫
太陽將氫合成氦的聚變反應產(chǎn)生了巨大的能量，人類希望從大自然的鬼斧神工汲取靈感，在地球上再造一顆能源源不斷供給能源的“太陽”，幫助人們擺脫能源危機的困擾。
而NIF實驗的歷史性成功，證明了慣性約束聚變的可行性，有助于增強人們對核聚變清潔能源前景的信心，提高推廣能源計劃的可信度，并為各種能源應用相關的項目研究打開大門。
邁向清潔、安全、有效的“終極能源”未來，人類還有很長的路要走。NIF接下來的用途也備受關注?，F(xiàn)在最大的問題是，美國能源部接下來要做什么：是加大核武器研究力度，還是優(yōu)先推動利用核聚變發(fā)電的商業(yè)可行性研究？
來源：Nature，Big Think