核聚變取得突破性進(jìn)展：什么是核聚變？為什么如此重要？

據報道，本周二美國能源部（DOE）宣布，研究人員在核聚變方面取得歷史性的突破，首次從一個(gè)實(shí)驗性核聚變反應堆中實(shí)現了“凈能量增益”，這讓許多人對未來(lái)生成更多的清潔能源充滿(mǎn)了希望。

這一突破是由美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）“國家點(diǎn)火裝置”（NIF）研究人員在12月5日取得的。對許多人來(lái)說(shuō)，核聚變可能是一個(gè)新概念，但自20世紀40年代以來(lái)，科學(xué)家們就一直在研究它。

但是，研究人員卻面臨著(zhù)一個(gè)嚴峻的挑戰：如何生產(chǎn)出更多的能量（高于所消耗的能量），這幾乎是一個(gè)不可逾越的挑戰，直至今日。

這一次，研究人員向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，最終產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，即產(chǎn)生的能量較輸入的能量高出50%多。這也是研究人員首次在實(shí)驗中取得有意義的能量增長(cháng)。

什么是核聚變呢？

核聚變就是兩種較輕的元素結合在一起，形成較重的元素的過(guò)程。這與太陽(yáng)提供能量的方式相同，即氫原子的質(zhì)子在核心以令人難以置信的高溫猛烈碰撞，融合在一起產(chǎn)生氦原子。

在地球上，核聚變是通過(guò)融合元素氘（重氫）和氚（超重氫）來(lái)實(shí)現的。氘的含量非常豐富，可以在水中找到，尤其是海洋中；而氚的含量較低，主要存在于我們的大氣中，是宇宙輻射的結果。此外，氚也可以在核爆炸中產(chǎn)生，是核反應堆的副產(chǎn)品。

太陽(yáng)的巨大引力使它能夠聚變氫原子，但要在地球上創(chuàng )造聚變，科學(xué)家需要施加大約1億攝氏度的極高壓力和溫度，即比太陽(yáng)核心溫度高10倍。

雖然有不同的方法來(lái)嘗試產(chǎn)生核聚變，但勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）“國家點(diǎn)火裝置”（NIF）的研究人員使用了192束激光，聚焦在一個(gè)圓柱體的內壁上，該圓柱體內有一個(gè)非常小的“膠囊”裝置，里面裝著(zhù)聚變燃料：氘和氚。當激光射向目標時(shí)，它們會(huì )產(chǎn)生X射線(xiàn)，然后擠壓燃料，在極短的時(shí)間內蒸發(fā)“膠囊”裝置，所產(chǎn)生的沖擊波會(huì )粉碎氫原子，使它們融合并釋放能量。

雖然此次產(chǎn)生的能量很小，大約3兆焦耳（足夠給一個(gè)燈泡供電），但它標志著(zhù)核聚變能源的歷史性首次，因為激光只發(fā)射了略高于2兆焦耳的能量，即產(chǎn)生的能量，較輸入的能量高出50%多。

它與現有核能有什么不同？

談及核能，許多人可能會(huì )想到我們今天擁有的核反應堆。但不同的是，這些反應堆使用的是“核裂變”。裂變與聚變正好相反，聚變迫使原子聚集在一起，而核反應堆（裂變）通過(guò)分離重原子來(lái)產(chǎn)生能量。

核聚變還能產(chǎn)生清潔能源。與核反應堆不同，這一過(guò)程不會(huì )產(chǎn)生副產(chǎn)品，如核電廠(chǎng)中發(fā)現的乏燃料棒（spent rod）。

另外，與裂變不同，核聚變不會(huì )發(fā)生核熔毀現象，也不能用來(lái)制造核武器。國際原子能機構（IAEA）還解釋說(shuō)，雖然氫彈確實(shí)使用聚變反應，但需要第二顆裂變炸彈來(lái)引爆它。

為什么說(shuō)核聚變很重要？

當前，地球正面臨著(zhù)幾個(gè)世紀以來(lái)燃燒化石燃料造成的氣候危機。其結果是，洪水、干旱、海平面上升等現象將會(huì )加劇。我們已經(jīng)看到這種情況正在發(fā)生，地球變得越暖，這些災難就會(huì )變得越嚴重。

如今，地球已經(jīng)變暖了大約1.2攝氏度。根據2015年《巴黎氣候協(xié)議》設定的目標，我們要在本世紀末將其控制在1.5攝氏度以?xún)?，這樣才能使與氣候相關(guān)的災難減少。因此，科學(xué)家和工程師一直在努力開(kāi)發(fā)具有成本效益的清潔能源。

這就是核聚變的用武之地。它不會(huì )產(chǎn)生有害的二氧化碳或甲烷，而且效率很高。根據國際原子能機構（IAEA）的說(shuō)法，聚變每公斤燃料產(chǎn)生的能量是裂變的四倍，是燃燒石油或煤炭的近400萬(wàn)倍。

美國能源部長(cháng)詹妮弗?格蘭霍姆（Jennifer Granholm）周二在一份聲明中表示：“這是一項里程碑式的成就，讓我們更接近于擁有豐富的零碳聚變能源，從而幫助人們解決人類(lèi)最復雜和最緊迫的一些問(wèn)題，包括提供清潔能源來(lái)應對氣候變化?！?/p>

何時(shí)才能用聚變作為能源呢？

雖然這是歷史性的第一次，但這并不意味著(zhù)我們已經(jīng)準備好大規模生產(chǎn)能源。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）負責人金?布迪爾（Kim Budil）稱(chēng)這一成就是人類(lèi)有史以來(lái)解決的最重大的科學(xué)挑戰之一。但是，到目前為止，無(wú)論是在科學(xué)上還是技術(shù)方面，都存在著(zhù)不小的障礙。

布迪爾說(shuō)：“這只是一次實(shí)驗成果，要實(shí)現商業(yè)聚變能源，必須要持續產(chǎn)生這樣的結果，必須要有一個(gè)強大的驅動(dòng)系統來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)”。她還補充說(shuō)，盡管不需要一些科學(xué)家之前預期的那么長(cháng)的時(shí)間，但至少需要幾十年的時(shí)間才能開(kāi)發(fā)出足夠的基礎技術(shù)來(lái)建造一座核聚變電站。

除了美國，還有其他一些國家在研究核聚變。在法國，有一個(gè)多方合作的國際熱核實(shí)驗反應堆（ITER），這是一個(gè)重2.3萬(wàn)噸、高近30米的大型核聚變反應堆，計劃在大約10年后開(kāi)始運營(yíng)。

在加拿大，General Fusion等私營(yíng)公司也在研究相關(guān)技術(shù)。此外，中國、英國和德國的一些民營(yíng)企業(yè)在致力于聚變方面的研究。