重磅！美國宣布重大突破，“里程碑式的成就”！核聚變將將掀一場(chǎng)能源新革命

當地時(shí)間13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL），首次成功在核聚變反應中實(shí)現“凈能量增益”，即聚變反應產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應的鐳射能量。

據悉，實(shí)驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

美國能源部長(cháng)詹妮弗·格蘭霍姆在一份聲明中稱(chēng)，這一突破是一項“里程碑式的成就”。這項成果預計將可能幫助人類(lèi)在實(shí)現零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。

此外，加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室主任表示，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。

（央視新聞客戶(hù)端）

核聚變技術(shù)取得“歷史性突破”！

核聚變發(fā)電，距離現實(shí)還有多遠？

還有哪些挑戰？

當地時(shí)間12月13日，美國能源部宣布，美國科研人員在研究核聚變能源方面取得重大突破。據路透社援引消息人士稱(chēng)，位于加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）的科研人員在一次使用激光的核聚變實(shí)驗中，首次實(shí)現了凈能量增益。

自1958年科學(xué)家向世界公布核聚變研究以來(lái)，人類(lèi)孜孜不倦地希望通過(guò)在地球上復制核聚變的過(guò)程，來(lái)獲得幾乎無(wú)限的清潔、安全和廉價(jià)的能源。而在此之前，科學(xué)家遲遲未能攻克第一道攔路虎：如何讓核聚變產(chǎn)出的能量大于觸發(fā)反應所投入的能量。

因此，在美國能源部證實(shí)美國科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現了核聚變產(chǎn)出大于投入的“凈能量增益”后，立刻引發(fā)了科學(xué)界的轟動(dòng)。在世界正面臨化石能源導致的氣候危機之下，坊間更有樂(lè )觀(guān)的議論認為，一勞永逸地解決能源問(wèn)題已經(jīng)出現曙光。據美國能源部，實(shí)驗產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

科學(xué)家指出，此次實(shí)現的凈能量增益是數十年來(lái)最重要的科學(xué)成果之一，是對核聚變原理的概念驗證，但人類(lèi)離用上核聚變能還有很長(cháng)的路要走，能量增益的規模還需要大幅提高才能考慮轉化為電力的事情。

英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng )始人Nick Hawker在采訪(fǎng)中對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，這次實(shí)驗結果對各國的能源轉型政策短期內并無(wú)影響，核聚變并不是解決氣候變化的靈丹妙****，但可以在未來(lái)的清潔能源結構中，扮演維持基本負載電力的重要角色。

當地時(shí)間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室，首次成功在核聚變反應中實(shí)現了凈能量增益。據悉，實(shí)驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

“這是過(guò)去二三十年來(lái)最大的科學(xué)成果之一，” 貝爾法斯特女王大學(xué)研究激光和等離子物理學(xué)的Gianluca Sarri表示。

要理解這項成就的重要性，就得知道實(shí)現增益的難度。據國際原子能機構，核聚變是兩個(gè)輕原子核結合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過(guò)程，這一過(guò)程發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。在地球上，人類(lèi)需要超過(guò)1億攝氏度的溫度和強大的壓力，才能促成氘（重氫）和氚（超重氫）的混合物發(fā)生核聚變，而且還需要將等離子體和聚變反應保持足夠長(cháng)的時(shí)間，才能獲得凈能量增益。

圖片來(lái)源：國際原子能機構

LLNL實(shí)驗室采用了一種名為慣性約束聚變的路徑。在發(fā)布會(huì )上，美國國家核安全局官員Marv Adams用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言解釋了該實(shí)驗室“國家點(diǎn)火設施”的實(shí)驗過(guò)程：規模相當于三個(gè)足球場(chǎng)的192個(gè)激光器組合，從兩端向一個(gè)圓柱體****激光束，將能量注入，而圓柱體中一個(gè)僅有半個(gè)氣槍BB彈大小的靶丸受到擠壓，球內的氘氚聚變燃料被“點(diǎn)燃”，產(chǎn)生出能量。整個(gè)聚變過(guò)程發(fā)生速度極快，比光運動(dòng)一英尺（2.54厘米）的時(shí)間還快。

國家點(diǎn)火設施實(shí)驗過(guò)程 圖片來(lái)源：美國能源部

國家點(diǎn)火設施此前已經(jīng)多次重復了這一過(guò)程，最好的成績(jì)是產(chǎn)出和投入能量比為70%，仍然是凈能量損失。這一次的不同之處在于，聚變燃料的超高溫、能量密度和維持的時(shí)間都達到了臨界標準，最終達成了點(diǎn)燃的效果，產(chǎn)生出了更多的能量。

“這一結果是慣性約束聚變作為發(fā)電技術(shù)的分水嶺時(shí)刻。長(cháng)期以來(lái)，（激光沖擊的）目標產(chǎn)生能量增益就是衡量成功的標準，它意味著(zhù)核心的物理學(xué)原理已經(jīng)被攻克，”英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng )始人Nick Hawker對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，“從這一結果到發(fā)電的物理學(xué)路徑是非常清楚的，而且風(fēng)險大大降低了?！?/span>

核聚變作為能源來(lái)源的優(yōu)點(diǎn)十分突出。首先是極大的能量密度。據國際原子機構，核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變（目前使用的核電技術(shù)）的四倍，理論上，只需要幾克氘氚反應物，就有可能產(chǎn)生一萬(wàn)億焦耳的能量，這大約是發(fā)達國家的一個(gè)人在60年內所需要的能量。其次，和核裂變一樣，核聚變不會(huì )向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體。

First Light Fusion的首席財務(wù)官David Byron對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，作為能源生產(chǎn)方式，核聚變擁有核裂變的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能避免后者的很多缺點(diǎn)。

“核聚變不會(huì )存在核反應堆融毀的情況，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就很安全。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，核裂變反應堆的功能是控制能量釋放的速度，避免其失控；核聚變則相反，它需要創(chuàng )造聚變發(fā)生的條件，假如停止投入聚變燃料，或者沒(méi)有合適的高溫條件，聚變反應自己就停止了，”David Byron解釋道。

此外，核聚變過(guò)程中不會(huì )出現制造武器級別的材料。對于很多沒(méi)有核武器的國家而言，由于核裂變技術(shù)的出口管制，他們無(wú)法發(fā)展核能，但核聚變就不存在這個(gè)問(wèn)題。核聚變也不會(huì )產(chǎn)生長(cháng)時(shí)間的放射性核廢料，不需要花幾代人來(lái)清理?！耙虼撕司圩兗夹g(shù)有望幫助更多國家擺脫貧困，” David Byron補充道。

如果人類(lèi)有一天能大規模應用核聚變作為能源，無(wú)疑意味著(zhù)地球能源結構翻天覆地的重構。此次核聚變實(shí)現凈能量增益，讓我們離這一天還有多遠呢？科學(xué)界認為，要用上核聚變能，需要經(jīng)歷實(shí)驗室點(diǎn)火和燃燒、聚變發(fā)電演示和商用發(fā)電三個(gè)階段，目前我們還處于第一階段，而且還有很多挑戰尚未解決。

“在協(xié)同的努力和投資之下，對底層技術(shù)再進(jìn)行數十年的研究，我們或許可以開(kāi)始建造（核聚變）發(fā)電廠(chǎng)，” LLNL實(shí)驗室的主任Kim Budil在發(fā)布會(huì )上預測，“還存在很多科學(xué)和技術(shù)上的重大挑戰。這次只是一次性點(diǎn)燃一個(gè)靶丸，要實(shí)現商用聚變能，需要達成每分鐘非常非常多次的聚變點(diǎn)燃，而且還需要強大的驅動(dòng)系統才能實(shí)現?！?/span>

牛津大學(xué)物理學(xué)教授、LLNL實(shí)驗室核聚變項目的咨詢(xún)專(zhuān)家Justin Wark對科學(xué)傳播組織SMC表示，LLNL實(shí)驗室理論上可以每天重復一次類(lèi)似的點(diǎn)燃成果，但核聚變電廠(chǎng)需要的是每秒鐘十次。

另一方面，凈增益能量也需要大幅提高。劍橋大學(xué)核能講師Tony Roulstone對SMC表示，根據《金融時(shí)報》當時(shí)報道的數據，實(shí)驗室為產(chǎn)生激光而投入了500兆焦的能源，最終輸送到靶丸上的能源才1.8兆焦，雖然最后實(shí)現了凈能量增益（2.5兆焦），但從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，實(shí)際上產(chǎn)出只占投入的0.5%。從工程學(xué)的角度而言，最終需要產(chǎn)出的能量為投入激光組能量的兩倍才算達到目標，因為從聚變熱能轉化為電力的過(guò)程中還會(huì )產(chǎn)生能量損失。

“因此可以說(shuō)，國家點(diǎn)火設施的實(shí)驗結果是一項科學(xué)上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長(cháng)一段路要走，” Tony Roulstone表示。

假如核聚變還需要數十年才能投入應用，那么它對于應對迫在眉睫的氣候變化可能無(wú)法發(fā)揮重要作用。

科學(xué)倡導組織憂(yōu)思科學(xué)家聯(lián)盟（Union of Concerned Scientists）的核能安全主管Ed Lyman對政治新聞網(wǎng)Politico表示：“不是說(shuō)要貶低他們的成就，但還是得謹慎看待。（核聚變）對于實(shí)現脫碳而言晚得不是一點(diǎn)點(diǎn)。我們需要在接下來(lái)的一二十年努力脫碳，而就算根據最樂(lè )觀(guān)的預估，核聚變能也要2040年代才能出現?！?/span>

First Light Fusion毫無(wú)疑問(wèn)屬于樂(lè )觀(guān)派。首席財務(wù)官David Byron對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，公司預計在2030年代早期到中期，就可以修建并入電網(wǎng)的核聚變電站試點(diǎn)項目，也就是說(shuō)還有十年的時(shí)間。

這一時(shí)間節點(diǎn)也是很多核聚變產(chǎn)業(yè)人士的預測，不過(guò)核聚變的布局時(shí)間線(xiàn)并不可靠。早在2012年，國家點(diǎn)火設施的主管曾預測十年內聚變技術(shù)就能達到商業(yè)可行性，但現在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)差不多過(guò)去了。

First Light Fusion創(chuàng )始人Nick Hawker對每經(jīng)記者坦承，對于能源領(lǐng)域而言，本次實(shí)驗結果不會(huì )產(chǎn)生直接的影響，必須繼續投入風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源?！斑@不是解決氣候變化的靈丹妙****，但是我們需要清潔的基本負載電力，這是核聚變發(fā)揮作用的地方，” Nick Hawker表示。

David Byron補充解釋說(shuō)，我們需要盡可能多的風(fēng)能和太陽(yáng)能，但由于選址和土地使用等因素限制，可再生能源無(wú)法完全滿(mǎn)足人類(lèi)的需求。此外，受自然條件影響，可再生能源還有間歇性的問(wèn)題，因此人類(lèi)需要能24小時(shí)持續滿(mǎn)足電網(wǎng)系統最低電力需求（基本負載電力）的發(fā)電廠(chǎng)，這就是核能（包括裂變和聚變）發(fā)揮作用的地方。由于核聚變安全性更好，監管批準的負擔比核裂變發(fā)電廠(chǎng)要小很多，因此未來(lái)將發(fā)揮重要作用。

（來(lái)源：每日經(jīng)濟新聞）

北京時(shí)間12月14日上午消息，據報道，當地時(shí)間周二，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****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?！?/span>

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。

（內容來(lái)源：新浪科技）