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美国能源部宣布“里程碑式成就”：世界首次激光核聚变点火成功
2022年12月13日 网文
当地时间12月5日上午1:03，劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素的固体目标。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室里的装置。
当地时间12月13日，美国能源部官员宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。
此外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔（Kim Budil）表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。
一 12月5日实验
核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向，被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。
耗资35亿美元的美国国家点火装置位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室，最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器，后用于推进聚变能研究。占地面积有三个足球场大的NIF从2010年开始正式的点火实验， 美国用了10多年时间不断冲击点火目标，过程一波三折。
2014年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家获得成果，但当时产生的能量非常小，相当于一个60 瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量，约为那次激光能量的70%，是世界上最接近净能量增益的一次。
当地时间2022年12月5日上午1:03，劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素的固体目标。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。
美国科技媒体The Verge评价道，利用核聚变可能是革命性的——为人们提供丰富的能源，而不会受到温室气体排放或持久放射性废物的有害副作用。然而，这样做取决于克服巨大的工程障碍。经过几十年的实验，这次宣布代表了对这些障碍之一的微小但重大的胜利。但是，要实现任何清洁能源梦想，还有很长的路要走。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任布迪尔在新闻发布会上说：“有了真正的投资和真正的关注，这个时间尺度可以更近。”“很长一段时间我们从未走近过，对吗？因为我们需要这个基本的第一步。因此，我们今天处于一个很好的位置，可以开始了解下一步需要什么。”
首先，科学家需要能够再次点火。布迪尔说，仍然要做很多事，“你必须能够每分钟产生许多很多聚变点火。”“不仅在科学方面，而且在技术方面都有非常大的障碍。”
一个障碍是，未来任何工作中使用的激光都需要更有效率。这次实验中使用的国家点火装置是世界上最大、能量最高的激光器，但它仍然基于20世纪80年代的技术。现代激光器效率更高，未来的努力可能会尝试将新技术纳入实验。
“这表明这是可以做到的。越过这个门槛使他们能够开始研究更好的激光器、更高效的激光器、更好的密封胶囊等。”布迪尔说，“我们需要私营部门参与其中。如此多的美国公共资金进入这一突破真的很重要，但为了使其达到商业水平，我们将采取的所有必要步骤仍然需要公共研究和私营研究。”
劳伦斯利弗莫尔国家实验室里的工作人员在作业。
二 什么是核聚变？
核聚变是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形式。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量，两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。
太阳和许多恒星的内部温度高达千万摄氏度以上，每时每刻都在发生着剧烈的核聚变反应。太阳每秒放出的能量约为3.9×10^26焦耳，虽然到达地球表面的仅为太阳每秒释放能量的10亿分之一，但这也是巨大的能量，正是这个能量，才使得地球上的一切生命活动成为可能。
核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向，核聚变能由于其燃料来自海水、效率是化石能源的千万倍、没有长期的核废料、没有碳排放等特点，因此被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。
可控核聚变所需要的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取，氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量就相当于地球上所有石油储备产生的总能量。
但人类若想要在地球上成功实现受控热核聚变反应，从而获得巨大能量，就必须创造三个必要条件。一是极高的温度，以使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体；二是极高的密度，以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大，而且便于将聚变产生的阿尔法粒子能量留下来继续参与核聚变反应；三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。
到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类。一是磁约束核聚变，也就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量，典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。二是激光核聚变，这是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变，典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置。
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发表于 2022-12-26 16:47:10