美国可控核聚变实验，再次实现净能量增益！

去年12月14日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次实现可控核聚变点火成功，为全人类摘下清洁能源「圣杯」。

【资料图】

LLNL在向目标提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出，能量增益约为1.5。

7月30日，该实验室复现了这一实验。这一次，能量输出大于3.5兆焦耳，比12月那次更高。这种能量可以为家用熨斗供电一个小时。

人类离无限零碳电力又近了一步。

再次点火成功！

和去年年底一样，这次的消息，依然是由英国《金融时报》曝出。

LLNL实验室证实，这次的激光设施再次实现了能量增益，现正在对结果进行分析。

自去年12月首次成功点火以来，研究者一直在进行实验。7月30日的实验中，他们在NIF上再次点火成功。

实验结果将在科学会议和同行评审出版物上发表。

未来能源路线或将彻底改变

简单地说，「核聚变」就是两个轻原子核结合成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。

两个氢原子碰撞并聚合成氦原子，氦的质量比原来的氢原子略小。根据爱因斯坦标志性的E=mc²质能方程，这个质量差会转化为能量爆发出来。

在太阳的核心，每秒都在发生6.2亿吨氢的核聚变。产生的能量，是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚变的一大难题之一，就是如何让核聚变反应释放的能量大于输入的能量，并且让过程可持续。

从上世纪50年代以来，无数的物理学家就一直希望从核聚变反应中产生比消耗更多的能量。

如果攻克了这个最大的难题，人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源，彻底改变未来的能源路线图。

也就是说，到了那时，就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体，不再有危险、长效的放射性废物——人类将得到真正意义上的「清洁能源」。

这意味着进入电气时代后，一直困扰着人类的能源紧缺问题将从此消失。

人类甚至能在可控核聚变带来的恒星级能源中，实现前所未有的科技突破。

NIF点火原理

20世纪60年代，LLNL的一组先锋科学家就作出假设：激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。

随后，在物理学家John Nuckolls的领导下，这一革命性的想法演变为惯性约束核聚变。

为了实现这一概念，LLNL建立了一系列越来越强大的激光系统，最终建立了世界上最大、能量最强的NIF。

实验中，激光器模仿了太阳中心的条件，将重氢同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若干氢气小球被放入胡椒粒大小的装置中，然后使用强大的192束激光，加热和压缩氢燃料。

激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出X射线，然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度——比太阳中心还热，并将其压缩到地球大气压的1000亿倍以上。

高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。

在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应——也就是「点火」，随之便会放出大量能量。

进展正在加快

完成核聚变从0到1的这一步我们走了60年，但从1到100000我们只用了8个月。

伦敦帝国理工学院的Jeremy Chittenden说，大多数物理学家认为LLNL 2021年的实验是人类历史上可控核聚变真正的里程碑。

在这次实验中，证明了使用NIF的可控核聚变反应堆能够实现。

而在2022年12月，被媒体疯狂报道的人类第一次获得的可控核聚变带来的「净增量能源」，只是2021年实验所证明的结果——对之前产量的进一步提升。

这次实验也是如此，LLNL提取到的能量比前一次增加了。这表示科学家们现在已经知道了如何把握实验中的细节，以产生更多的能量。

但这距离NIF的激光完全燃烧反应物产生的能量还差得远。

Chittenden表示在目前LLNL的实验中，仅有百分之几的燃料被反应了。

但这次LLNL所取得的进步足以证明，在突破0到1的桎梏后，可控核聚变的进步将一路狂飙。

核聚变发电问题已被解决？

但是这次成功点火，也并不意味着聚变发电已经成功解决。

其中一个大问题，就是激光的低效。

虽然反应堆的输出高于激光的输出，但激光本身效率非常低。为了产生2.1兆焦耳的能量，它们需要500万亿瓦特，这比整个美国国家电网的输出还要多。（也就是此前屡屡被人调侃的35亿美元烧开10壶水）

所以，以后的重大挑战是，如何创造一个反应，让总能量需求达到平衡，而不仅仅是最后激光阶段的反应。

另一个问题是，NIF反应堆只能点火一次，持续几十亿分之一秒，然后就必须花几个小时冷却组件，才能再次启动。

而如果想要将聚变反应堆应用于商业发电，就需要让激光器每秒加热目标10次。这并非根本不可能，但从工程角度来看，是非常困难的。

并且，即使一个反应堆可以长时间运行，且通过激光抵消其真正的能量需求，它仍然只是达到了收支平衡。

如果想让核聚变成为全新的能源方案，就必须能够提取大量的净能量。唯有如此，才能让建造反应堆的巨大成本物有所值。

另一种核聚变装置：托卡马克反应堆

目前的核聚变反应堆，通常使用以下两种方法来产生所需的热量：

磁约束反应堆（托卡马克环形反应堆），除了辅助热源外，还会使用磁铁来加热和容纳氢原子；基于激光的系统，则使用大量的激光脉冲来轰击氢原子。

托卡马克装置的工作原理是，加热到超过1亿摄氏度时，会产生旋转的氢同位素等离子体，它们将会碰撞，而产生聚变反应。超级磁铁产生的磁场随后会将等离子体包含起来，以防止其破坏反应堆。

而两种反应堆的最大区别，在于聚变反应所需的时间。

磁反应堆可以使聚变过程持续更长时间，但需要更多的能量；相比之下，基于激光的反应堆，可以让核聚变在很短的时间内发生，而且现在已经一定程度上跨过了净能量增益的门槛。

在托卡马克装置中，需要依靠强磁场实现对高温等离子体的约束，因此超导磁体是核心部件之一。

获得同样的聚变功率，提高磁场强度，能够有效缩小托卡马克装置的规模和造价。

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