最新消息，美國實驗室首次利用激光束、鉆石和黃金實現(xiàn)三次重復(fù)點火。

迄今為止，美國的研究人員已經(jīng)四次產(chǎn)生了短暫的聚變能爆發(fā)，這是使這種零碳能源成為現(xiàn)實的令人鼓舞的跡象。

勞倫斯·利弗莫爾國家點火裝置的技術(shù)人員正在調(diào)整前置放大器支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的光學器件。達米安·杰米森/勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

科學家們首次成功地進行核聚變的重復(fù)性點火，這成為大規(guī)模實現(xiàn)近乎無限的清潔能源的又一個重要里程碑。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的一個團隊，在去12 月實現(xiàn)了聚變點火，首次從聚變反應(yīng)中產(chǎn)生凈能量增益。

這一壯舉被物理學家譽為“歷史時刻”?，F(xiàn)在，勞倫斯國家實驗室的科學家們又將這一實驗重復(fù)了三次。

該實驗室使用國家點火設(shè)施 (NIF) 向懸浮在金圓筒中的金剛石膠囊內(nèi)的冷凍同位素顆粒發(fā)射192束激光束。

由此產(chǎn)生的反應(yīng)，復(fù)制了與太陽內(nèi)部相同的自然過程，并導(dǎo)致能量增加了89% 的創(chuàng)紀錄水平。據(jù)科學雜志《自然》報道，這僅夠燒開水壺的能量，但擴大這一概念驗證，可能預(yù)示著能源的“新時代” 。

“我感覺很好，”勞倫斯國家實驗室慣性約束聚變科學項目負責人理查德·唐恩 (Richard Town) 告訴該雜志，“我認為我們都應(yīng)該為這一成就感到自豪。”

在本月早些時候，核聚變被列入聯(lián)合國氣候變化會議（COP28）的議程，各國政府同意加快開發(fā)該技術(shù)的努力。

“我們正在越來越接近聚變驅(qū)動的現(xiàn)實。與此同時，這存在重大的科學和工程挑戰(zhàn)，”美國氣候特使約翰·克里在迪拜峰會上表示，“仔細的思考和深思熟慮的政策對于解決這個問題至關(guān)重要?！?/p>

據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會稱，中國、日本、俄羅斯和歐盟也在核聚變研究方面投入巨資，迄今為止投資額已超過60億美元。

美國科技巨頭微軟是投資該技術(shù)的公司之一，該公司于今年早些時候宣布了全球首份購買協(xié)議。

但這些實驗對于科學以及為我們的家庭和汽車提供動力而不釋放任何二氧化碳的新能源的夢想，究竟意味著什么呢？

簡而言之，為NIF的成就喝彩是可以的，但這并不意味著綠色能源革命即將來臨。聚變發(fā)電的進展，還需要數(shù)年時間才能取得成果——可能需要十年左右——而且目前還不清楚聚變發(fā)電，是否足夠便宜到從根本上改變我們的電網(wǎng)。毫無疑問，今天繼續(xù)加大對太陽能和風能的投資，對于應(yīng)對氣候變化至關(guān)重要。

什么是核聚變？

國家點火設(shè)施使用紅外和紫外激光在裝有胡椒粒大小的聚變?nèi)剂闲緣K的室內(nèi)產(chǎn)生 X 射線。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

當兩個較輕的元素（如氫或氦）合并成一個較重的元素時，就會發(fā)生聚變。這種核反應(yīng)釋放出大量能量，正如太陽周圍最大的聚變爐所展示的那樣。

然而，在地球上發(fā)生聚變比較困難，因為原子核帶正電，因此相互排斥。太陽巨大的質(zhì)量產(chǎn)生巨大的壓力來克服這種排斥力，但在地球上，需要其他力。

將原子擠壓在一起并產(chǎn)生聚變的兩種常用方法稱為慣性和磁約束。慣性約束通常使用激光以強大的能量擊中彈丸，引發(fā)壓縮聚變?nèi)剂系谋?。這就是 NIF 使用的方法。

另一種方法使用磁場。這種現(xiàn)象在試圖將聚變能源商業(yè)化的公司中更為普遍。

NIF的實驗取得了什么成果？

2022 年12月，NIF實驗跨越了聚變的關(guān)鍵閾值，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量（315 萬焦耳）超過了引發(fā)反應(yīng)的激光產(chǎn)生的2.05 兆焦耳能量。然而，由于運行激光器需要更多的能量，因此整個反應(yīng)的效率非常低。

聚變研究人員用字母Q表示輸出能量與輸入能量的比率，2022年12月的反應(yīng)是聚變反應(yīng)首次超過Q = 1。今年7月20日、10月8日和10月30日，NIF重復(fù)了它的成功，在于Q 大于1。10 月30 日的實驗，使用了創(chuàng)紀錄的激光功率，即 2.2 兆焦耳，這一改進非常困難，因為激光會破壞引導(dǎo)其光的光學設(shè)備。

NIF運營負責人Bruno Van Wonterghem 在一份聲明中表示：“這一切都是為了控制損害。” “如果沒有適當?shù)谋Ｗo，能量過多，你的光學器件就會被炸成碎片。”

在發(fā)電實用之前，聚變反應(yīng)堆必須達到 Q=10 的閾值。這是每個參與者的目標，包括法國另一個由政府資助的大型項目——國際熱核聚變實驗堆（ITER）。聚變反應(yīng)堆必須比NIF 更頻繁地達到Q =10。

從某些方面來說，這些都是學術(shù)上的里程碑，幾十年來聚變實驗一直在推動著這些里程碑。但考慮到核聚變因無法實現(xiàn)這一目標而聞名。它是一個重要的證明，證明了一切皆有可能。在你重復(fù)那句經(jīng)常被引用的尖刻言論之前，請仔細思考一下，即聚變是未來的能源，而且永遠如此。

NIF實驗對綠色電力意味著什么？

一方面，大多數(shù)商業(yè)聚變能源項目都使用各種形式的磁約束，而不是 NIF 的基于激光的方法，因此工程的挑戰(zhàn)難度是不同的。

另一方面，NIF是一個耗資35 億美元的龐大國家實驗室項目，這是一個研究核武器的項目，而不是一個旨在以最具競爭力的成本為電網(wǎng)生產(chǎn)可靠能源的項目。

普林斯頓大學研究員威爾遜·里克斯 (Wilson Ricks)在 X（前身為 Twitter）上發(fā)表的一篇文章中表示：“不要指望未來的核聚變工廠會像NIF那樣?！?NIF的激光器以及將聚變熱轉(zhuǎn)化為電能的效率極低，這意味著其設(shè)計本質(zhì)上是不切實際的。相比之下，“磁約束聚變具有一些真正的前景，”里克斯在推特上寫道。

降低聚變成本對其成功至關(guān)重要，因為它必須與零碳替代品競爭，例如當今的裂變核反應(yīng)堆，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電力供應(yīng)，以及風能和太陽能等更便宜但間歇性的可再生能源。

普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員在10 月份發(fā)表的一篇研究論文中總結(jié)道：“核聚變的第一個競爭對手是裂變?！痹撜撐脑u估了核聚變在電網(wǎng)中的前景，該論文尚未經(jīng)過同行評審。他們預(yù)計，如果聚變的高成本能夠足夠低，它可以取代未來對裂變工廠的需求，如果進一步降低，還可以與太陽能和儲能的組合競爭。

如果聚變發(fā)電廠可以建造成更便宜、更小的裝置，更像是工廠生產(chǎn)出來的東西，那么生產(chǎn)成本應(yīng)該會降低。這要歸功于一種稱為賴特定律（經(jīng)驗曲線或?qū)W習曲線）的現(xiàn)象，它穩(wěn)步降低了太陽能和風能的成本。核聚變工廠規(guī)模越大、定制化程度越高，成本下降的幅度就越小，核聚變的競爭力就越弱。

NIF 的結(jié)果是否有一些不太直接的好處？

該行業(yè)的倡導(dǎo)組織——聚變工業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官安德魯·霍蘭德(Andrew Holland)表示，科學家們可以通過更新聚變物理模型來從NIF實驗中受益，以解釋其自身提供熱量而不是依賴外部來源的事實。

這種關(guān)注也可能有所幫助，特別是考慮到人們長期以來對聚變能的懷疑。 

TAE Technologies首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑爾 (Michl Binderbauer) 稱 NIF 的結(jié)果是“邁向聚變時代黎明的巨大踏腳石”，并表示這是聚變能確實可行的重要例證。

投資者也注意到了。Holland 表示，在第一個NIF成果公布后，聚變工業(yè)協(xié)會年度報告的下載量增加了十倍，該報告詳細介紹了對聚變能源初創(chuàng)企業(yè)的48 億美元風險投資。他補充說，許多提出要求的人來自投資公司。

NIF 的聚變?nèi)绾芜\作？

NIF 使用192個強大的紅外激光器觸發(fā)核聚變，其總能量水平為4兆焦耳，大約相當于一輛以100 英里/小時的速度行駛的兩噸卡車。首先將其轉(zhuǎn)化為2兆焦耳的紫外線，然后轉(zhuǎn)化為X射線，照射到胡椒粒大小的聚變?nèi)剂项w粒上。

強烈的X射線導(dǎo)致顆粒外層爆炸性爆炸，壓縮顆粒內(nèi)部并引發(fā)融合。聚變產(chǎn)生的熱量維持反應(yīng)，直到燃料耗盡或變得不平衡和動搖。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置有三個足球場那么大。

細胞核？氫？請幫我了解原子物理學

當然！這是一個快速回顧。

地球上的一切都是由微小的原子組成，每個原子都由一個中心核和一團帶負電的電子云組成。原子核由中子和帶正電的質(zhì)子組成。原子核中的質(zhì)子越多，元素就越重。

氫，通常有一個質(zhì)子和一個電子。一種叫做氘的不尋常品種也有一個中子，使用核反應(yīng)堆或聚變反應(yīng)堆，你可以制造出第三種叫做氚的帶有兩個中子的元素。

當這些正電荷和電荷導(dǎo)致原子相互作用時，就會發(fā)生化學反應(yīng)，例如鐵生銹或木材燃燒。相比之下，當原子核分裂或結(jié)合在一起時，就會發(fā)生核反應(yīng)。在地球上，調(diào)動發(fā)生核反應(yīng)所需的力量更加困難，這就是為什么制造蒸汽機比制造核彈更容易。

當你將原子加熱到足夠高時，它們就會變得如此充滿能量，以至于電子被剝離。由此產(chǎn)生的帶負電的電子和帶正電的原子核云被稱為等離子體，這是一種比我們在地球上室溫下習慣的固體、液體和氣體更奇特的物質(zhì)狀態(tài)。

太陽是由等離子體構(gòu)成的，聚變反應(yīng)堆也需要它來讓氫核以足夠的能量彈跳。等離子體的一個便利特性是它們的帶電粒子可以用磁場來操縱。這對于許多聚變反應(yīng)堆設(shè)計至關(guān)重要。

聚變?nèi)剂嫌檬裁矗?/strong>

NIF和大多數(shù)其他聚變項目使用兩種重質(zhì)氫：氘和氚，稱為DT燃料。但還有其他選擇，包括氫硼和氘氦-3，這是一種只有一個中子的氦形式，而不是更常見的兩個中子。

為了使氘和氚融合，需要將等離子體加熱到約1億攝氏度（1.8 億華氏度）的高溫。其他反應(yīng)甚至更高，例如氫硼聚變反應(yīng)溫度約為十億度。

氘可以從普通水中過濾出來，但氚卻很難獲得，它會在幾年內(nèi)放射性衰變。它可以在核反應(yīng)堆中制造，原則上也可以在未來的聚變反應(yīng)堆中制造。然而，管理氚很復(fù)雜，因為它被用來促進核武器爆炸，因此需要受到嚴格控制。

如何將聚變反應(yīng)轉(zhuǎn)化為能量？

氘-氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生快速移動的單獨中子。它們的動能可以被聚變反應(yīng)堆室周圍的液體“毯子”捕獲，并在中子碰撞時升溫。

然后熱量被轉(zhuǎn)移到沸騰的水中并為傳統(tǒng)蒸汽渦輪機提供動力。這項技術(shù)已廣為人知，但尚未有人將其與聚變反應(yīng)堆連接起來。事實上，當今正在建造的第一代聚變動力反應(yīng)堆的設(shè)計目的是超過 Q=1，但不是為了捕獲能量。這將等待下一波開發(fā)浪潮中預(yù)計抵達的試點工廠。

聚變工作是由政府還是私營部門資助的？

兩個都有。NIF的資金來自美國政府的核武器計劃。美國政府資金還資助英國的歐洲聯(lián)合環(huán)和法國的國際熱核聚變實驗堆，這兩個項目都與聚變能發(fā)電的目標更加一致。

但越來越多的聚變能源是由私人資助的。根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會2022 年初發(fā)布的年度報告，投資者已向聚變能源初創(chuàng)企業(yè)總共投入了48 億美元，其中28億美元是在去年投入的。其中大部分流向了從麻省理工學院剝離出來的初創(chuàng)企業(yè) Commonwealth Fusion Systems。并在 2021 年的一輪融資中籌集了超過 18億美元。

政府現(xiàn)在也在幫助私營部門。美國能源部于2022年9月宣布了一項里程碑計劃，提供高達5000萬美元用于建設(shè)聚變能源試點工廠。核聚變的支持者拜登政府在2022年11月表示， 聚變能源是到2030年將碳排放量減半、到2050年實現(xiàn)凈零排放的五種關(guān)鍵方法之一。

聚變與裂變有何不同？

為當今核反應(yīng)堆提供動力的裂變與聚變相反。在裂變中，像鈾這樣的重元素分裂成較輕的元素，并在此過程中釋放能量。

幾十年來，人類已經(jīng)能夠利用熱核武器實現(xiàn)聚變。這些設(shè)計將鈾或钚等材料撞擊在一起以引發(fā)裂變爆炸，并提供引發(fā)二次和更強大的聚變反應(yīng)所需的巨大能量。

在炸彈中，這個過程發(fā)生在不到一秒的時間內(nèi)，但為了產(chǎn)生能量，聚變必須受到控制和持續(xù)。

聚變反應(yīng)堆會產(chǎn)生放射性廢物嗎？

是的，一般來說，但它并不像裂變反應(yīng)堆那么麻煩。一方面，大多數(shù)放射性發(fā)射物都是短命的阿爾法粒子（具有一對質(zhì)子和一對中子的氦核），很容易被阻擋?？焖僖苿拥闹凶涌梢耘c其他材料碰撞并產(chǎn)生其他放射性材料。

聚變反應(yīng)堆的中子輸出通常會降低組件的性能，需要定期更換，這可能需要每隔幾年持續(xù)幾個月的停機時間。不過，它比裂變發(fā)電廠的高放核廢料更容易處理。

氫硼聚變比氘氚聚變更難實現(xiàn)，但它的部分吸引力在于它不會產(chǎn)生任何中子和伴隨的放射性物質(zhì)。采用這種方法的最著名的公司是 TAE Technologies。

聚變發(fā)電存在哪些安全風險？

聚變發(fā)電廠不存在導(dǎo)致福島和切爾諾貝利等裂變反應(yīng)堆出現(xiàn)問題的熔毀風險。當聚變反應(yīng)出現(xiàn)問題時，它就會失敗。

但在主要工業(yè)場所仍然存在重大的運營問題，包括大量電力和高壓蒸汽。換句話說，這些大問題更像是在工業(yè)現(xiàn)場而不是在當今的裂變核電站中發(fā)現(xiàn)的問題。

因此，融合具有真正的優(yōu)勢。NIF 的工作有助于表明聚變能源的未來。但還有很長的路要走。