可控核聚变突破没带来实用化，只是漫长道路上的一小步

日期：2022-12-15发布：彩虹糖

选自wired

作者：Gregory Barber

机器之心编译

编辑：泽南

美国科学家实现了人类长期追求的聚变点火目标——但不要指望这种技术能够为电网供电。

12 月 5 日，美国劳伦斯利弗莫尔实验室的镀金鼓内，一组科学家精巧地重现了为太阳提供动力的物理学。

这项深夜进行的实验包括向胶囊发射 192 束激光，胶囊中装有一个装满氢原子的胡椒粒大小的颗粒。其中一些通常相互排斥的原子被挤压在一起并融合在一起，完成一个产生能量的过程。

LLNL 国家点火装置的靶室包含 192 束紫外线激光束，能够将超过 2 兆焦耳的能量输送到单个微型燃料颗粒中。

按照地球聚变反应的标准，这是大量的能量。多年来，科学家们一直在进行这种类型的实验，结果发现产生的能量还不足以供给维持系统本身。这一次，人们终于实现了正循环。

这一壮举被称为点火，对于那些研究聚变的人来说是一个巨大的胜利。人们只需仰望星空，就知道这种能量来源是可能的——将两个氢原子结合产生一个氦原子会导致质量损失，根据著名的 E = mc^2 公式释放出巨量的能量。自 1970 年代以来，我们一直在这条道路上缓缓前行，当时科学家首次定义了点火目标，有时也称为「盈亏平衡」。

去年，劳伦斯利弗莫尔实验室国家点火装置（NIF）的研究人员已经接近成功，用核聚变产生了他们发射到实验中的大约 70% 的激光能量。人们继续进行实验，终于在 12 月 5 日凌晨 1 点刚过获得了完美的结果：输入两兆焦耳，输出了三兆焦耳，能量增加了 50%。

「这表明我们是可以做到的，」美国能源部长珍妮弗 · 格兰霍姆在新闻发布会上说道。

对于像斯坦福大学的 Mark Cappelli 这样的聚变科学家来说，这是一个激动人心的结果。但他同时提醒说，那些寄希望于核聚变在不久的将来成为一种丰富、零碳排放和无废料的能源的人可能会失望。

分歧点在于如何定义能量收支平衡。NIF 研究人员表示，他们在实验中获得的能量与他们发射的激光一样多——这是一项巨大的、期待已久的成就。但问题在于，这些激光器消耗的能量只占系统总功率的一小部分。如果计算得更全面，NIF 获得的收益远小于投入。

「这种程度的收支平衡是非常、非常片面的，」Cappelli 说道。「还有几十年的路要走，也许还有半个世纪。」

问题在于低效的激光器，使用 NIF 的方法产生聚变能包括将数十束光束射入称为空腔的金圆柱体，将其加热到超过 300 万摄氏度。激光不直接瞄准燃料，他们的目标是产生「X 射线汤」，密歇根大学的核聚变研究员 Carolyn Kuranz 介绍道。它们轰击由氢同位素氘和氚组成的微小燃料颗粒，并将其压碎。这必须以完美的对称精度完成，即实现「稳定内爆」，否则颗粒会起皱，燃料无法充分加热。

为了实现上周的结果，NIF 研究人员使用改进的计算机模型来增强容纳燃料的胶囊的设计，并校准激光束以产生恰到好处的 X 射线色散。

现在这些激光器每个脉冲发射大约 2 兆焦耳的能量。对于核聚变科学家来说，这样的水平令人兴奋。它仅相当于大约运行吹风机 15 分钟所消耗的能量——但在百万分之一秒内一次性全部释放。在 NIF 产生这些光束需要一个几乎有足球场那么大的空间，里面装满了闪光灯，可以激发激光棒并传播光束。仅此一项就需要 300 兆焦耳的能量，其中大部分都损失掉了。

再加上冷却系统和计算机层，你很快就能明白比聚变产生的能量相比，输入需要耗费的甚至是高出多个数量级的能量。因此，根据 Cappelli 的说法，实用化聚变的第一步是使用更高效的激光器。

而且在能量方程的另一边，问题还在继续。传统的内燃机将其产生的能量转化为电能的效率约为 40%。而对于聚变，这可能更接近于 10-20%。如今的研究甚至还没有考虑到这种类型的转化。

根据定义，聚变实验是破坏性的测试。燃料芯块设计为一次性粉碎，聚变能量的释放破坏了周围的仪器，镜子被强大的激光损坏。为了产生持续的能量，科学家们需要弄清楚如何反复发射强大的激光，并在它们面前放置许多颗粒。

这可能涉及每分钟发射多个弹丸和激光，相比之下，NIF 目前每天发射次数仅为 3 次。不过，科学家们表示，12 月 13 日宣布的进展意义仍然重大。这种被称为「惯性限制」的聚变实验被忽视的一个方面是激光本身是一种相对较新的技术——比核裂变等技术更新。

「与 1960 年代首次出现的激光器相比，我们今天拥有的多兆焦耳激光器是一项了不起的工程壮举，」Carolyn Kuranz 说道。

NIF 研究人员利用这种能量所做的工作比许多人想象得要多。有些人认为，要接近点火，可能需要 10 兆焦耳或更多的激光能量。此外，自 NIF 于 1999 年破土动工以来的几十年里，激光器一直在不断改进，这意味着下一代技术拥有更多的可能性。

激光方向的进展很令人兴奋，因为在过去，与另一种称为「磁约束」（托卡马克）的聚变技术相比，惯性约束受到的关注较少。托卡马克是一种甜甜圈形装置，其中氢气被加热成等离子体，然后被磁场捕获。商业聚变公司普遍采用磁铁路线，部分原因是激光的挑战。但最近，惯性设施得到了更多投资——今天的成功可能意味着未来会有更多投资。

那么核聚变会有助于解决气候变化问题吗？在「几十年」的范围内，实际的时间表仍然模糊不清。但在新闻发布会上，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任 Kimberly Budil 表示：「如果我们能够投入大量精力，并保持注意力，这个时间表会更近一些。」

「尽管今天宣布了这一消息，但核聚变既不商业化也不接近商业化，因此它仍然是试验性技术，」斯坦福大学能源研究员 Mark Jacobson 说道。他主张对太阳能、风能和水力发电等可用解决方案进行更多投资。事实上，你很难找到一位认为核聚变将在未来十年内出现的等离子体物理学家。

近一个世纪以来，自从天文学家亚瑟 · 爱丁顿推测了为太阳提供动力的氢和氦之间的关系以来，人们一直被建造一座像恒星一样运转的发电厂的可能性所吸引。

这一目标被全球科学家追寻着，却显得难以捉摸，甚至有可能是我们这一代无法亲眼目睹的。「我认为我们应该乐观地看待这个问题，」加州大学圣地亚哥分校研究托卡马克设计的研究科学家 Dmitri Orlov 说道。「我们今天就像看着婴儿蹒跚学步。而最终，它将跑一场马拉松。」

参考内容：

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7

https://www.wired.com/story/the-real-fusion-energy-breakthrough-is-still-decades-away/

https://lasers.llnl.gov/about/how-nif-works

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