核聚變發電？美國或宣佈首次實現核聚變能量增益，輸出大於輸入

編輯：張倩、陳萍

在這個寒冷的冬天，相信很多人都體會到了能源的重要性。

爲了方便、高效地獲得清潔能源，人們很早就將目光投向了核能技術，尤其是被稱爲清潔能源聖盃的「可控核聚變」。

核聚變，又稱融合反應，是指將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個極輕的核（或粒子）的一種核反應形式。兩個較輕的核在融合過程中產生質量耗損而釋放出巨大的能量，這一能量是核裂變反應的四倍。

之前，我們已經在氫彈中見識過核聚變的威力。但氫彈屬於不可控核聚變，不能用來發電，而受控核聚變則是將核聚變反應控制在安全範圍，也即人們所說的「人造太陽」。

在太陽中，其巨大的引力所產生的極端壓力爲核聚變的發生創造了條件，它把衆多原子核約束在一個小空間內，同時讓它們在超過1000萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。一旦原子核克服了這種排斥力並進入彼此非常接近的範圍，它們之間的核力吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠實現聚變。

在地球上，我們需要超過1億攝氏度的溫度和強大的壓力，以使氘和氚發生聚變，還需要充分的約束，使等離子體和聚變反應保持足夠長的時間，以獲得淨功率增益。也就是說，雖然核聚變釋放的能量驚人，但整個可控核聚變過程也消耗了大量的能量，避免這種消耗的訣竅是讓反應過程自我維持，使得輸出的能量比輸入的能量多，並且讓這個過程持續而不是短暫地進行一次。如此一來，聚變能才能成爲可用的能源。這是國際上公認的可控核聚變難題。

在過去的幾十年裡，熱核聚變研究形成了兩大分支，一是磁約束聚變，主攻方向是託卡馬克裝置（比如中國的東方超環 (EAST) 和國際熱核聚變實驗堆(ITER)），另外還有仿星器，反向場箍縮及磁鏡等裝置。另一平行研究分支是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。

用託卡馬克和仿星器實現磁聚變約束。

昨天，英國《金融時報》等媒體報道稱，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）已經在一項使用激光的慣性約束聚變實驗中取得了重大突破，首次實現了聚變反應的淨能量增益。

報道稱，這項實驗是通過用世界上最大的激光撞擊一個微小的等離子體顆粒來實現的。實驗裝置由近200臺激光器組成，有三個足球場那麼大，用高能量轟擊一個小點，以啓動核聚變反應。

一種基於激光的慣性約束聚變研究裝置，圖中技術人員使用服務系統升降機進入目標室內部。

據悉，LLNL 的實驗獲得了成功，聚變反應產生了大約2.5兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%。整個實驗數據分析仍在進行中。由於高於預期的能量輸出損壞了一些診斷設備，後續分析變得複雜。

圖中所示爲空腔膠囊內的目標彈丸，激光束從兩端的開口進入。光束將目標壓縮並加熱到發生核聚變的必要條件。

至於實驗的細節，美國能源部預計將在美國太平洋時間週二上午7點（北京時間週二23點）左右進行直播介紹。

倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯合主任 Jeremy Chittenden 評價說，「這是一個真正的突破性時刻，非常令人興奮」。

但他也表示，儘管從核聚變中獲得淨能量是一件大事，但與爲電網供電和爲建築物供暖所需的能量相比，它的規模要小得多。

「這相當於燒開10壺水。」「爲了把它變成一個發電站，我們需要獲得更多的能源，我們需要多得多的能源。」Chittenden 說。

「雖然這一結果是自1930年代以來科學探索的一個重要里程碑，但進入利弗莫爾反應的能量與從中獲得的能量之比需要提高約100倍，才能產生商業規模的電力。」一位消息人士發表了類似的看法。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。

幾十年來，科學家們一直在試驗聚變反應，直到現在他們才能夠創造出一種產生的能量多於消耗的能量的裝置。儘管成就顯着，但前方仍面臨巨大的工程和科學挑戰。就拿發電站來說，他們要考慮如何經濟地控制熱量，以及如何保持激光持續發射等問題，不過這項研究也利好聚變發電廠的發展，包括英聯邦聚變系統公司、加拿大核聚變技術開發商 General Fusion 等。

將來如果核聚變實現商業化（支持者稱這可能在十年或更長時間內發生）會帶來很多好處，它能產生幾乎無碳的電力，這有助於應對氣候變化，不會像裂變那樣產生放射性核廢料反應堆。

可控核聚變也吸引了包括比爾 · 蓋茨、傑夫 · 貝佐斯和約翰 · 杜爾等在內的投資者目光，他們向核聚變公司投入了大量資金。根據聚變工業協會 (Fusion industry Association) 的數據，私營企業去年就獲得了超過28億美元的融資，近年來總共獲得了約50億美元融資。

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

https://www.cnn.com/2022/12/12/politics/nuclear-fusion-energy-us-scientists-climate/index.html

https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/article2021111901# (https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/article2021111901)

https://hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=55304