核聚变重大突破，我们离“人造太阳”又近了一步？

本文来自微信公众号：新智元 （ID：AI_era），编辑：编辑部，原文标题：《今晚，见证历史！人类或首次实现，可控核聚变“重大科学突破”》，题图来自：视觉中国

爆炸性消息！史上首次，人类实现了核聚变反应的净能量增益。

净功率增益，即产生的聚变功率与用于加热等离子体的功率之比率。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），从一个实验性核聚变反应堆中，让核聚变反应产生的能量多于了这一过程中消耗的能量。

这就意味着，人类朝人造太阳的目标，又近了一步。

而化石燃料和传统核能，或将退出历史的舞台！

核聚变反应净能量增益，意味着什么

“核聚变”究竟是什么呢？简单地说，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。

我们都知道，万物生长靠太阳，太阳是地球上一切生命的源泉，那太阳的能量来自于哪里呢？就是核聚变。

在这个热核反应中，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。因此，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。

这种能量，使我们人类得以生存。

理论上，只要有几克氘（重氢）和氚（超重氢）的混合反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人60年内所需的能量。

既然核聚变能产生如此大的能量，那我们人类能不能自己DIY这个过程，造出个“人造太阳”？

没错，科学家们早就开始这么想了。

自从人类开启了和平利用核能的研究，如何在可控的条件下利用核聚变反应产生的能量，一直是人类的终极目标（而目前的核电站，原理是核裂变反应）。

但是，利用核聚变最大的难题之一是，核聚变过程本身也会消耗巨大的能量，该如何让核聚变反应释放出的能量大于输入的能量，而且让这个过程可持续呢？

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”！

而现在看起来，这个难题的第一步已经被解决了。

据英国《金融时报》报道，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）从一个实验性核聚变反应堆中实现了“净能量增益”，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。

据消息人士透露，这次反应产生的能量是消耗能量的120%，至少有两名研究人员证实了这一消息。

一位资深核聚变科学家对《华盛顿邮报》表示：“对我们大多数人来说，这只是一个时间问题。”

此次核聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量，大约是激光器中2.1兆焦耳能量的120%，目前具体数据仍在进一步分析中。

美国能源部和LLNL发言人均表示，目前无法评论《金融时报》的报道，不过美国能源部长Jennifer Granholm表示，将在今天晚些时候宣布一项“重大科学突破”。

核聚变专家亚瑟·特瑞尔（Arthur Turrell）博士表示，“如果这个结果得到最终证实，我们将见证一个历史性的时刻。”

四次复现全部失败，人类科技被智子锁死？

其实，之前的科学家们，就曾见证过这一奇迹。

2021年8月，LLNL曾宣布了一项重大突破：破纪录地产生了超过10万亿瓦的高能聚变能量——虽然时长只有一秒不到。

装置将最初的光子脉冲放大并分成192道紫外线激光束后，在不到40亿分之一秒的时间内以大约1.9兆焦耳的能量击中目标（装着冷冻的氘和氚），创造出只有在恒星和热核弹中才能见到的温度和压力。

面对如此强大的脉冲能量，原子核会因核聚变释放出一连串的粒子，并由此产生更多的聚变和更多的粒子，从而形成持续的聚变反应。

根据定义，当聚变反应产生的能量超过其消耗的能量时，就能成功“点火”。

而在8月的试验中，通过核聚变反应产生的能量，已经占到了输入能量的70%，可以说非常接近点火了。

然而，在接下来进行的4次试验中，都未能复现当时的结果。其中效果最好的一次，也只达到了8月份实验所产生能量的50%。

对此，研究人员分析认为，由于目前正处于聚变“点火”的临界点附近，所以不同实验间微小、偶然的差异都会对结果造成巨大影响。

从重复实验的失败中不难看出，研究人员在很长一段时间内，仍然无法精准理解、操纵和预测这类高能实验。甚至知友“氯甲烷”调侃称：“我觉得人类科技可能真的被智子锁死了”。

复刻核聚变为何如此之难？

为什么人类想要复刻核聚变，会这么难呢？

这就要从核聚变反应的条件说起。核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。

从左至右：固体，液体，气体，等离子体

为了实现聚变，原子核需要在超过1000万摄氏度的极高温度下相互碰撞，以使它们能够克服相互间的电排斥力。

一旦原子核克服了这种排斥力，并进入彼此非常接近的范围，它们之间的核力吸引力将超过电排斥力，从而使它们能够实现聚变。

要做到这一点，众多原子核必须被约束在一个小空间内，以增加碰撞的机会。

在太阳中，存在巨大的引力，而这种引力所产生的极端压力，正为核聚变的发生创造了条件。

在太阳内部，氢原子被加热到等离子体状态，电子不再围绕质子旋转，然后释放的原子核聚变形成氦原子和中子，释放出巨大能量

然而，太阳中有着能够诱发核聚变的巨大引力，我们人类却没有这样的自然条件。

在地球上，要想使氘和氚发生聚变，就需要超过1亿摄氏度的温度和强大的压力，还需要充分的约束，才能使等离子体和聚变反应保持足够长的时间。

现在，我们人类的实验中已经非常接近核聚变反应堆所需的条件，但仍需改进约束性能和等离子体的稳定性。来自50多个国家的科学家们，在不断试验新材料，设计新技术。

不过，就像我们在上文所看到的，许多实验已实现聚变，但并未实现净功率增益。

而这次突破，是否意味着我们就要用上纯粹的清洁能源了呢？其实并没有。

首先，即使单纯从数据上看，120%的能量净增比例仍然是远远不够的。据科学家估计，如果要将核聚变技术落地实用，能量输出必须至少比进入的激光器的能量高出几倍才有可能。

而且，这次实验中的NIF的激光器效率极低，也就是说，实验中供给激光器的能量中，只有很小一部分实际进入了激光束中，实际参与了激发核聚变的反应中，大部分能量都被浪费掉了。

按照这种转换效率，即使未来的激光器（比如固态激光器）能够进一步提升转换效率，但距离100%的核聚变应用，仍然是很遥远的事情。

但是至少，我们实现了从0到1的一步。

我国新一代“人造太阳”再次取得进展

建人造太阳的，不止是美国的科学家。早在20世纪50年代，我国也开始了可控核聚变的研究。

与LLNL采用的“惯性约束聚变”方法不同，迄今为止大多数核聚变研究都采用名为“托卡马克”的圆环形反应堆。

它的原理是：在反应堆内，将氢气加热到足够高的温度，让电子从氢原子核中剥离，形成等离子体（带正电的核和带负电的电子云）。磁场将等离子体困在圆环形状的装置内，将原子核融合在一起，以中子的形式释放出能量向外飞去。

2020年12月4日，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代“人造太阳”建成并实现了首次放电。

2022年10月，相关研究再次取得重大进展——HL-2M等离子体电流突破100万安培（1兆安）。

这不仅创造了我国可控核聚变装置运行新纪录，也标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。

其核心参数是等离子体电流强度，而等离子体电流达到100万安培（1兆安）是其实现聚变能源的必要条件，未来托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行。

此次突破意味着该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行，这对我国自主设计运行聚变堆具有重要意义。

据悉，对于劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的这次实验的重大公告，美国能源部预计将在美国太平洋时间周二上午7点，也就是北京时间的今晚23点左右进行直播。我们能亲眼见证历史的进程吗？

参考资料

https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7

https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2022/12/12/nuclear-fusion-breakthrough-benefits/

https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1

https://www.163.com/dy/article/HF5BLDSD0511F2M4.html

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