解读美国核聚变重大突破：究竟有何意义

美国能源部在周二的新闻发布会上证实，美国科学家首次在核聚变反应中实现了净能量增益这一突破表明，核聚变最终可能为化石燃料提供丰富的零碳替代品

美国首次获得核聚变能量

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在周二的新闻发布会上表示，这是一个里程碑式的成就美国国家核安全局局长吉尔·赫鲁比说:我们已经朝着可能彻底改变世界的清洁能源迈出了试探性的第一步

可是，这一突破让能源领域离实现核聚变能源的梦想又近了多少。

什么是核聚变。

核聚变是一种为太阳提供能量的反应这个过程包括将两种氢同位素加热到极端温度，使原子核融合，以中子的形式释放出氦和大量能量

与核裂变不同，这一过程不会产生长期放射性废物，也不会排放碳科学家估计，一小杯这种燃料可以为一所房子提供800多年的电力核聚变技术的支持者将其描述为清洁能源的圣杯，这是一种理论上可以提供几乎无限和零碳能源的技术

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

可是，尽管前苏联的科学家在20世纪50年代利用一种称为磁约束的技术开发出了第一台核聚变机器，但在周二之前，没有一个研究小组能够产生比核聚变反应消耗的能量更多的能量这一过程被称为科学能量增益或目标增益，被视为该领域的科学里程碑

美国做了什么。

美国能源部下属的加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的科学家们首次实现了核聚变反应中获得能量的目标。

NIF耗资35亿美元，于2009年发射升空最初是通过模拟爆炸来测试核武器，后来被用来推进聚变能的研究

目前，磁约束仍然是研究最广泛的核聚变方法它使用一个巨大的磁铁来固定氘氚燃料，同时将其加热到比太阳更高的温度

可是，NIF使用了一种不同的技术，叫做惯性约束它使用192束激光来燃烧一个微型燃料舱将激光燃料加热到300多万摄氏度，导致目标舱表面燃烧并爆炸，导致NIF描述的火箭般内爆这压缩并进一步加热燃料，直到氘和氚中的氢原子融合，释放出氦和能量

惯性约束聚变的过程

在2022年12月5日的核聚变实验中，NIF向靶输入了2.05兆焦的能量，产生了3.15兆焦的聚变能量输出，能量增益为153%，超过了此前媒体报道的120%能量增益的初步结果。

人类征服核聚变能源了吗。

还没有几十年来，实现能量增益一直被视为证明商用核聚变电站可行性的关键一步可是，它仍然有几个障碍要克服

首先，实验中的能量增益只是将产生的能量与激光器中的能量进行比较，而不是与从电网中提取的为系统供电的总能量进行比较事实上，每次发射需要330兆焦耳的电能，以400微秒的脉冲序列传输

此外，NIF为激光器提供动力的系统非常陈旧，而且不是为最大能效而设计的可是，科学家仍然估计，商业核聚变将需要产生30至100倍输入能量的聚变反应NIF一天最多只能发射一次，而采用惯性约束聚变技术的发电厂可能需要每秒完成多次发射

这个实验清楚地证明了激光聚变的物理学是有效的，为NIF研究做出贡献的等离子体物理学家Robbie Scott说下一步将包括展示更高的聚变能量增益，并进一步开发更有效的方法来驱动内爆

相比其他国家最近的突破。

在NIF取得这项成就之前，其他由公共基金资助的聚变实验室也宣布了过去18个月的重大成就，但他们的研究目标略有不同。

据新华社报道，2021年5月28日凌晨，中国科学院合肥物质科学研究所全超导托卡马克核聚变实验装置刷新世界纪录，成功实现1.2亿摄氏度101秒，1.6亿摄氏度20秒的可重复等离子体运行这将此前1亿摄氏度20秒的纪录扩大了5倍，意味着向核聚变能源应用迈出了重要一步EAST在中国也被称为人造太阳，是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研发的磁约束核聚变实验装置

东方被称为中国的人造太阳。

去年12月，位于牛津的世界上最大和最强大的托卡马克核反应堆欧洲联合环形反应堆的研究人员在持续5秒钟的聚变反应中产生了创纪录的59兆焦耳的能量这足以煮沸大约60个水壶，比JET在1997年创下的22兆焦耳的能量输出纪录高出一倍多

专家指出，这两次核聚变反应都没有像NIF那样实现能量增益，但两次实验都没有优先考虑能量增益。

加速行业研究

对于能源部门来说，他们希望这一突破能够激发人们的兴趣和投资，从而加速核聚变能源的进步。

历史上，大多数核聚变科学是由公共资助的实验室完成的，如NIF和杰特，但最近几年来，投资也涌入了私营公司，这些公司承诺在20世纪30年代提供核聚变能源。

梅勒妮·温德里奇是一名等离子体物理学家，经营着一家聚变能源咨询公司Fusion Energy Insights她指出，耗资35亿美元建成的NIF已经有13年的历史，其基础就是80年代发展起来的激光技术

如果能用旧技术做到这一点，就说明了最新设备的可能性如果他们得到私人支持，并能按照这些激进的时间表前进，那么他们就能使用尖端技术这非常令人兴奋温德里奇说