美国实验室核聚变取得“重大突破”

美国实验室核聚变取得“重大突破”
US scientists confirm 'major breakthrough’ in nuclear fusion
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Tue 13 Dec 2022 11.59 EST
Successful experiment could pave way for abundant clean energy in future, but major hurdles remain
By Ian Sample, Science editor
经过半个多世纪的研究，科学家们宣布核聚变取得重大突破，可为未来“丰富的清洁能源”铺平道路。

位于加利福尼亚州的'美国国家点火装置实验室'的研究人员表示，聚变实验释放的能量大于用于点火的高功率激光器泵入的能量，这是一项具有里程碑意义的成就，被称为“点火”或“能量增益”。

尽管这项技术还远未达到用于商业发电的目的——也不会解决气候危机——但科学家们称赞这一突破成为“可以在地球上复制恒星式能量输出的证据”。

白宫科学技术办公室政策研究主任Arati Prabhakar 博士说：“上周……研究人员向燃料颗粒发射了大量激光束，聚变点火释放的能量多于激光发射的能量。

这是坚持不懈获得重大成果的案例”。

核聚变为海量清洁能源创造了美好前景：聚变反应不会释放温室气体或放射性废物。

一公斤氘和氚的重氢同位素组成的聚变燃料提供的能量相当于1000 万公斤化石燃料。

达到今天这个里程碑，人类整整用了70年。

周二，美国国家核安全局 (NNSA) 的 Jill Hruby 在宣布这一消息时，声称美国“迈出了可能彻底改变世界清洁能源的第一步”。

国家点火装置实验室是位于加州圣何塞美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个巨大的建筑群。

建设这个实验室是为了以简约和微型的
方式重现核弹内部能量释放的过程，使美国能够在不需要进行核试验的情况下维持其核弹性能。

图1. 从核聚变中产生额外的能量。

绘制：The Guardian. 来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室
此外，这些微缩实验也是迈向清洁聚变能源的基石。

为实现核聚变反应，研究人员将多达192 束巨型激光发射到一个称为“空腔（hohlraum）”的、一厘米长的、金制圆柱体中。

巨大的能量将容器加热到超过三百万摄氏度（这个数字可能是错的？3亿度差不多，译注）——比太阳表面还热——然后，激光产生的 X 射线照射空腔内部胡椒粒大小的燃料颗粒。

X 射线剥离了颗粒的外壳，并引发了类似火箭的内爆，将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能看到的极端环境。

内爆达到每秒400 公里的速度，导致氘和氚聚变。

（真正激发核聚变的实际上是 X 射线，高能激光在金属壁上的反射碰撞所能产生的 X 射线是有限的，因此这个实验所输入的能量仍有很大的部分是被浪费掉的，因此，未来还有很大的想象空间。

译注）
根据爱因斯坦方程E=mc2，每对聚变的氢核都会产生一个较轻的氦核，减少的质量转换为爆发的能量。

氘很容易从海水中提取，而氚可以从地壳中的锂提取。

在最新的实验中，研究人员输入了 2.05 兆焦耳的激光能量，输出能量大约为3.15 兆焦耳——增益约为50%，这表明颗粒中的聚变反应正在推动进一步的核聚变。

核安全局的Marvin Adams 博士说：“这个反应所持续的时间比光传播一英寸的时间还少。

”
然而，利用核聚变进行商业发电仍然存在巨大的障碍。

虽然颗粒释放的能量多于激光器输入的能量，但这个计算不包括为激光器供电所需的300 兆焦耳能量。

国家点火装置实验室激光器大约每天发射一次，但实用化的商业发电需要每秒加热目标 10 次。

另外，还有成本问题。

实验中使用的那些设备要花费数万美元，但对于一个可行的发电厂来说，只能接受几便士的成本。

另一个问题是如何将能量转化为热
量。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil 博士说，只要有足够的投资，“再有几十年的研究才可以让我们有能力建成商业发电设施”。

她补充说，英国牛津郡欧洲核聚变设施JET (联合欧洲环) 所使用的替代技术[1]可能会更快实现商业发电的目标。

牛津大学物理学教授兼牛津高能量[2]密度科学中心主任贾斯汀·沃克(Justin Wark ) 说，“从某种意义上说，一切都在改变；但另一方面则可能是，一切都没有改变，这个结果证明了大多数物理学家一直相信的——在实验室中聚变是可能的。

然而，制造商业反应堆需要克服的障碍是巨大的，绝不能低估。

”
他补充道，问克服这些挑战需要多长时间就像问莱特兄弟在首次飞行后制造一架飞机横渡大西洋需要多长时间。

“我知道每个人都希望将此视为解决能源危机的最佳解决方案。

但事实并非如此，无论谁肯定地说是，那都是误导”。

“核聚变不太可能在足够短的时间内解决我们当前的气候变化危机，因此我们在这方面的努力绝不能放松。

”
“最新的结果还表明，最基本的科学原理是有效的——物理定律证实我们没有选择错误目标——问题是技术和经济。

正如诺贝尔奖获得者原子物理学家尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr) 曾经说过的那样：预测是非常困难的，尤其是对于未来的预测。

”
英国伦敦帝国理工学院核材料专业读者 Mark Wenman 博士称这一成就是“了不起的科学突破——这是70 年以来各种尝试都没有取得的成就”。

他进一步表示：“但如何从系统中获取能量，如何将能量维持足够长的时间以发挥作用，如何扩大这种能量，以及这种能量是否足够便宜以与其他能源竞争，仍然存在挑战。

”∎
外部链接：
1./environment/2022/feb/09/nuclear-fusion-heat-record-a-huge-step-in-quest-for-new-energy-source
2./environment/energy。