多年研究沒有進展，如今終獲突破
來源：機器之心 編輯：澤南、陳萍
可控核聚變實現「還要 50 年」，現在還剩多少年？
可控核聚變，終于首次實現了凈能量增益。
在 12 月 13 日一場全球矚目的發(fā)布會上，美國能源部（DOE）和能源部國家核安全管理局（NNSA）宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）實現了聚變點火，在公布的結果中，他們首次在可控核聚變實驗中實現核聚變反應的凈能量增益，即通過核聚變產生的能量比激發(fā)聚變所需能量更多，在實驗室就能再現太陽的能量。
12 月 5 日，國家點火裝置的一個團隊進行了史上第一個受控聚變實驗，達到了科學能量平衡的里程碑，這意味著從聚變中產生的能量多于用于驅動它的激光能量。
這項實驗是通過用世界上最大的激光撞擊一個微小的等離子體顆粒來實現的。實驗裝置由近 200 臺激光器組成，有三個足球場那么大，用高能量轟擊一個小點，以啟動核聚變反應。
核聚變意味著兩個或更多原子融合成一個更大的原子，這一過程會產生大量的熱能。人類一直希望能夠利用這種能量為全球電網提供清潔能源。過去幾十年間，科學家們一直在嘗試在可控環(huán)境中用氫原子聚變產生氦氣和中子。
在聚變發(fā)生后，合成物的質量會比最初制造它們的部分更輕，丟失的質量會轉化為巨大的能量。
E=MC2，這是太陽等恒星中一直發(fā)生的反應。
如果核聚變技術能夠大規(guī)模應用，它將提供一種沒有污染和溫室氣體的能源，也不會產生放射性廢料。
「這是通往清潔能源可能性之路的絕佳方法，一個多世紀以來，我們對核聚變有了理論上的了解，但從了解到實踐的過程可能是漫長而艱巨的?！拱讓m科學顧問 Arati Prabhakar 在能源部的新聞發(fā)布會上表示。
「這是科學界具有歷史意義的一天，這要歸功于 LLNL 和國家點火裝置。在取得這一突破時，他們開啟了 NNSA 庫存管理計劃（Stockpile Stewardship Program）的新篇章?！筃NSA 局長 Jill Hruby 表示。
一直以來，在可控核聚變實驗中，實驗消耗的能量總是比核聚變反應產生的能量還要多。直到昨天情況發(fā)生了變化，國家點火裝置中的 192 個巨型激光對一個橡皮擦大小的小圓筒進行轟擊，圓筒內裝有一個鉆石包裹的凍結氫核。激光束從圓柱體的頂部和底部射入，使圓柱體汽化。這產生了向內的 X 射線沖擊，壓縮了氘和氚（較重的氫形式）燃料芯塊。
在持續(xù)不到萬億分之一秒的短暫瞬間，2.05 兆焦耳的能量（大致相當于一磅 TNT）轟擊了氫氣球（hydrogen pellet）。大量中子粒子（聚變的產物）流出，攜帶了大約 3 兆焦耳的能量，能量增益約為 1.5。
多年研究沒有進展，如今終獲突破
這一結果為聚變研究人員打了一針強心針，因為長期以來他們一直因承諾過高和交付不足而受到批評。
其實這項研究早在 1997 年就開始了，然而，到 2009 年開始運營時，在投資了 35 億美元后，該設施幾乎沒有產生任何聚變。直到 2014 年，利弗莫爾的科學家們終于取得了一些成功，但國家點火裝置產生的能量非常小——相當于 60 瓦燈泡在五分鐘內消耗的能量。接下來幾年的進展也微乎其微。
然而，去年 8 月，該設施產生了更大的能量爆發(fā)，產生的能量占到激光能量的 70%。利弗莫爾研究所武器物理與設計項目主管 Mark Herrmann 在接受采訪時表示，研究人員隨后進行了一系列實驗，以更好地了解取得成功的原因。
研究者 9 月份進行了第一次 2.05 兆焦耳的激光發(fā)射，第一次嘗試產生了 1.2 兆焦耳的聚變能。之后他們對這一結果進行分析，得出球形氫氣顆粒沒有被均勻擠壓，部分氫氣從側面噴出，沒有達到聚變溫度。
科學家們在此基礎上進行了一些更好的調整。
為進行聚變點火，國家點火裝置的激光能量在空腔內轉化為 X 射線，然后壓縮燃料艙直至內爆，產生高溫高壓等離子體。
「我們的預計是達到兩倍的比值，事實上它能達到的程度不止于此，」Herrmann 說道。
核聚變本質上是一種零排放能源，大規(guī)模應用可以顯著減少燃煤和天然氣發(fā)電廠的需求，降低碳排放。但要實現廣泛、實用的核聚變還需要相當長的時間。在可控核聚變領域有一個著名的「50 年悖論」：距離實現可控核聚變永遠只有 50 年，然而為了讓核聚變「可控」，科學家們已經研究了 50 多年，我們眼前的預期仍然是 50 年……
「可能需要幾十年，」LLNL 董事 Kimberly S. Budil 在周二的新聞發(fā)布會上說。「不是六十年，我認為也不是五十年，這是我們過去常說的。我認為它正在走向前臺，可能通過共同努力和投資，對基礎技術進行幾十年的研究可以使我們能夠建造一座發(fā)電廠。」
除了對于能源的需求，現在可控核聚變的實用化又有了新的一層意義。大量氣候科學家和政策制定者表示，要實現將升溫限制在 2 攝氏度以內的目標，或者更雄心勃勃的升溫 1.5 攝氏度的目標，世界必須到 2050 年實現凈零排放。
迄今為止的聚變努力主要使用被稱為托卡馬克的環(huán)形反應堆。在反應堆內，氫氣被加熱到足夠高的溫度，以至于電子從氫原子核中剝離出來形成等離子體——帶正電的原子核和帶負電的電子組成的云。磁場將等離子體困在甜甜圈形狀內，原子核聚變在一起，以中子的形式釋放能量向外飛。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置靶艙。
NIF 采用了不同的方法，但到目前為止，將激光聚變發(fā)電廠的想法變?yōu)楝F實的工作很少。「其中存在很大障礙，不僅在科學方面，而且在技術方面，」Budil 說道。
NIF 自帶全球最強大的激光，但它是一種緩慢且低效的激光，依賴于幾十年的老技術。該設備大約有一個體育場那么大，旨在進行基礎科學實驗，而不是作為發(fā)電的原型。
它每周啟動約 10 次，而使用激光聚變方法的潛在商業(yè)核設施需要更快的激光器，能夠以機關槍的速度射擊，大約每秒 10 次。
NIF 消耗的能量也仍然比聚變反應產生的能量多得多。盡管與入射激光束中 2.05 兆焦耳的能量相比，最新的實驗產生了凈能量增益，但 NIF 需要從電網中提取 300 兆焦耳的能量才能產生短暫的激光脈沖。
其他類型的激光器效率更高，但專家表示，一個可行的激光聚變發(fā)電廠可能需要比在最新的聚變發(fā)射中觀察到的 1.5 更高的能量增益。
「你需要增加到 30-100 才能達到發(fā)電廠的需求，」 Herrmann 表示?！高@是我們在接下來的幾年里要認真考慮的事情，這些實驗表明，激光能量的微小差異也會產生很大的不同。」利弗莫爾將繼續(xù)推動 NIF 聚變實驗，以達到更高的聚變輸出。
其他一些實驗室的研究者也在研究 NIF 實驗的變體。不同波長的其他類型的激光可能會更有效地加熱氫氣。一些人贊成激光聚變直接驅動的方法，即使用激光直接加熱氫。這將使更多的能量進入氫氣，但也可能產生阻礙聚變反應的不穩(wěn)定性。
激光點火是核聚變的一條路徑，雖然并不一定是最好的，但既然它已被證明可以實現，我們或許可以預見全球范圍內相關研究投入的大量增加。
不論如何，利弗莫爾實驗室取得的成果是可控核聚變研究的重要一步。羅切斯特大學激光能量學實驗室的首席科學家 Riccardo Betti 表示：「這是一個里程碑，人類在實驗室中首次點燃了核燃料?！?/p>
參考內容：
https://news.ycombinator.com/item?id=33971377
https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/h_9d2eaed5a3c62ddf0eeed4ad4743943b
https://www.nytimes.com/2022/12/13/science/nuclear-fusion-energy-breakthrough.html
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
