據(jù)紐約華人資訊網(wǎng)綜合報(bào)道 美國能源部的科學(xué)家們在核聚變方面取得了突破。
有史以來第一次，實(shí)驗(yàn)室的研究人員從聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量高于開始這個(gè)過程時(shí)消耗的能量。總收益約為150%。
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆在新聞發(fā)布會上說：“美國取得了巨大的科學(xué)突破?！?/p>
這項(xiàng)成就來自美國國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility, NIF），這是加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）耗資35億美元的激光裝置。十多年來，NIF一直在努力實(shí)現(xiàn)其既定目標(biāo)，即產(chǎn)生比消耗更多能量的聚變反應(yīng)。
但在12月5日的深夜，情況發(fā)生了變化。當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨1點(diǎn)，研究人員使用激光束轟擊一個(gè)微小的氫燃料顆粒。激光產(chǎn)生了2.05兆焦耳的能量，而顆粒釋放了大約3.15兆焦耳的能量。
這是核聚變科學(xué)領(lǐng)域半個(gè)多世紀(jì)以來一直在努力實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要里程碑。
“在我們的實(shí)驗(yàn)室里，我們已經(jīng)為此工作了近60年，”利弗莫爾NIF項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人馬克·赫爾曼（Mark Herrmann）對NPR說?！斑@是一項(xiàng)不可思議的團(tuán)隊(duì)成就?！?/p>
研究人員表示，核聚變能源有一天可以提供清潔、安全、沒有溫室氣體排放的電力。但即使宣布了這一消息，獨(dú)立科學(xué)家們?nèi)匀徽J(rèn)為，這個(gè)夢想還需要幾十年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。
英國劍橋大學(xué)的核工程師托尼·魯斯通（Tony Roulstone）說，“我認(rèn)為這個(gè)成果非常了不起，但仍存在許多工程障礙。我們真的不知道發(fā)電廠會是什么樣子?！?/p>
按照這樣的速度，核聚變發(fā)電對拜登政府來說還不夠快，拜登政府正尋求到2050年將美國的溫室氣體凈排放量降至零——專家表示，為了避免氣候變化的最壞影響，必須實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
核聚變最終可能會點(diǎn)亮你的燈，幫助你結(jié)束對化石燃料的依賴。以下是你需要了解的關(guān)于這種新形式的核能的信息。
什么是核聚變？為什么它很重要？
長期以來，聚變能激發(fā)了核科學(xué)家和工程師的想象力。核聚變復(fù)制的能量與太陽提供能力的過程相同。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)原子融合成一個(gè)更大的原子時(shí)，就會發(fā)生核聚變，這一過程會以熱的形式產(chǎn)生大量的能量。
幾十年來，世界各地的科學(xué)家一直在研究核聚變，希望用一種新的能源來重新創(chuàng)造核聚變，這種能源可以提供無限的、無碳的能源，而不像目前的核反應(yīng)堆那樣產(chǎn)生核廢料。核聚變項(xiàng)目主要使用氘和氚兩種元素，它們都是氫的同位素。
一杯水中的氘，加上一點(diǎn)氚，可以為一所房子提供一年的電力。氚更稀有，獲取起來也更困難，盡管它可以通過人工合成獲得。
“與煤炭不同，你只需要少量的氫，而氫是宇宙中發(fā)現(xiàn)的最豐富的東西，”Carbon Direct首席科學(xué)家、勞倫斯利弗莫爾前首席能源技術(shù)專家胡里奧·弗里德曼告訴CNN?！皻浯嬖谟谒?，所以產(chǎn)生這種能量的物質(zhì)是無限的，而且是清潔的?！?/p>
核聚變和核裂變有什么不同？
美國能源部對于核裂變（圖左）和核聚變給出了一個(gè)簡單的對比。簡單來說，聚變更安全、更高效，使用材料更簡單易得。
一提到核能，人們就會想到冷卻塔和蘑菇云。但是核聚變是完全不同的。
核聚變將兩個(gè)或兩個(gè)以上的原子融合在一起，而裂變則相反，它是把一個(gè)較大的原子分裂成兩個(gè)或多個(gè)較小的原子的過程。核裂變是當(dāng)今世界各地為核反應(yīng)堆提供動力的一種能源。和核聚變一樣，原子分裂產(chǎn)生的熱量也被用來產(chǎn)生能量。
根據(jù)美國能源部的說法，核裂變也是零排放的能源。但它會產(chǎn)生揮發(fā)性放射性廢物，必須安全儲存，并存在安全風(fēng)險(xiǎn)。核熔毀雖然罕見，但在歷史上也曾發(fā)生過，造成廣泛而致命的后果，比如福島和切爾諾貝利反應(yīng)堆。
核聚變不會帶來同樣的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且用于核聚變的材料的半衰期比裂變短得多。
核聚變能源最終如何點(diǎn)亮你家里的燈？
產(chǎn)生核聚變的方法主要有兩種，但結(jié)果都是一樣的。兩個(gè)原子的聚變會產(chǎn)生巨大的熱量，這是產(chǎn)生能量的關(guān)鍵。這些熱量可以用來加熱水，產(chǎn)生蒸汽，轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)來發(fā)電，就像核裂變產(chǎn)生能量一樣。
利用核聚變能源的最大挑戰(zhàn)是將其維持足夠長的時(shí)間，以便為全球的電網(wǎng)和供暖系統(tǒng)供電。美國的成功突破是一件大事，但它的規(guī)模仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生足夠的能量來運(yùn)行一個(gè)發(fā)電廠，更不用說成千上萬的發(fā)電廠了。
倫敦帝國理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任杰里米·奇滕登（Jeremy Chittenden）說：“這次產(chǎn)生的能量相當(dāng)于燒開10壺水。為了把它變成一個(gè)發(fā)電站，我們需要獲得更多的能源，我們需要多得多的能源?！?/p>
為什么這次突破很重要？
這是科學(xué)家們首次成功地制造出一種能獲得凈能量的核聚變反應(yīng)。
雖然在商業(yè)上可行之前還有很多步驟，但科學(xué)家們必須證明他們可以創(chuàng)造出比開始時(shí)更多的能量。否則，開發(fā)它就沒有多大意義了。
弗里德曼在接受CNN采訪時(shí)表示：“這非常重要，因?yàn)閺哪茉吹慕嵌葋砜矗绻汜尫诺哪芰坎怀^你輸入的能量，它就不能成為一種能源。先前的突破也很重要，但這與生產(chǎn)有朝一日可以大規(guī)模使用的能源是兩碼事?！?/p>
哪些國家在研究核聚變？
美國國家點(diǎn)火裝置內(nèi)部。
美國、英國和歐洲有幾個(gè)核聚變項(xiàng)目。法國是國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的所在地，有35個(gè)國家正在進(jìn)行合作，其中包括主要成員中國、美國、歐盟、俄羅斯、印度、日本和韓國。
在美國，大部分工作是在加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)室的建筑面積有三個(gè)足球場那么大，十層樓高，是世界上最強(qiáng)大的激光系統(tǒng)。
國家點(diǎn)火裝置項(xiàng)目通過所謂的“熱核慣性聚變”從核聚變中產(chǎn)生能量。在實(shí)踐中，科學(xué)家將192束激光束瞄準(zhǔn)一個(gè)由黃金和貧鈾制成的微型圓柱體，圓柱體里面是一個(gè)比胡椒粒還小的鉆石膠囊。這個(gè)膠囊就是魔法發(fā)生的地方——它充滿了氫的兩種同位素，它們?nèi)诤显谝黄饡r(shí)可以釋放出驚人的能量。
系統(tǒng)基本上以每秒50次的速度制造出一系列極快、重復(fù)的爆炸。當(dāng)激光射向目標(biāo)時(shí)，它們會產(chǎn)生X射線，在幾分之一秒內(nèi)蒸發(fā)鉆石。鉆石毀壞產(chǎn)生的沖擊波粉碎氫原子，使它們?nèi)诤喜⑨尫拍芰?。從中子和粒子中收集的能量以熱的形式被提取出來?/p>
國家點(diǎn)火裝置于2009年首次開放，但其最初的激光束撞擊遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期。目標(biāo)中的氫未能“點(diǎn)燃”，一直是到了2021年8月，經(jīng)過多年緩慢但穩(wěn)定的進(jìn)展，物理學(xué)家終于點(diǎn)燃了膠囊內(nèi)的氫氣，產(chǎn)生了可以自我維持的燃燒。這個(gè)過程類似于點(diǎn)燃汽油，羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的首席科學(xué)家里卡爾多·貝提（Riccardo Betti）說：“從一個(gè)小火花開始，然后火花變得越來越大，然后燃燒蔓延開來?！?/p>
在英國和法國的ITER項(xiàng)目中，科學(xué)家們正在使用巨大的甜甜圈形狀的機(jī)器，上面裝有被稱為托卡馬克（tokamak）的巨型磁鐵，試圖產(chǎn)生同樣的結(jié)果。
下一步是什么？
科學(xué)家和專家們現(xiàn)在需要弄清楚如何在更大的范圍內(nèi)從核聚變中產(chǎn)生更多的能量。
與此同時(shí)，他們需要弄清楚如何最終降低核聚變的成本，以便將其用于商業(yè)用途。
奇滕登說：“目前，我們?yōu)槊恳粋€(gè)實(shí)驗(yàn)都花費(fèi)了大量的時(shí)間和金錢。我們需要大幅降低成本?！?/p>
科學(xué)家還需要收集核聚變產(chǎn)生的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。核聚變技術(shù)要想生產(chǎn)出無限量的清潔能源，還需要數(shù)年甚至數(shù)十年的時(shí)間。為了在本世紀(jì)末將全球變暖控制在2.7華氏度，世界必須在2030年之前將碳排放量減少近一半——這比發(fā)展核聚變所需的時(shí)間要短得多。
弗里德曼說：“這不會對未來20-30年的氣候減緩做出有意義的貢獻(xiàn)。這就是點(diǎn)燃火柴和建造燃?xì)廨啓C(jī)的區(qū)別。”
盡管如此，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的核科學(xué)家阿拉蒂·達(dá)斯古普塔（Arati Dasgupta）對NPR說，長期潛力是驚人的。一大堆排放碳的煤只能發(fā)電幾分鐘，而同樣數(shù)量的聚變?nèi)剂峡梢宰尠l(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)年，而且沒有二氧化碳排放。但是，她補(bǔ)充說，仍然存在許多技術(shù)問題?！斑@是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)?！?/p>
貝提也認(rèn)為，建造一座核聚變工廠的時(shí)間“肯定是幾十年”。但他補(bǔ)充說，這種情況可能會改變?！翱傆型黄频目赡埽彼f。美國能源部的新成果可能有助于推動這一突破?！斑@樣的突破會讓更多的人去研究這種形式的聚變，看看我們是否能把它變成一個(gè)能源制造系統(tǒng)?！?/p>
