深度：美國核聚變巨大突破，為什麽如此重要？

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據紐約華人資訊網綜合報道 美國能源部的科學家們在核聚變方麵取得了突破。

有史以來第一次，實驗室的研究人員從聚變反應中產生的能量高於開始這個過程時消耗的能量。總收益約為150%。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆在新聞發布會上說：“美國取得了巨大的科學突破。” 這項成就來自美國國家點火裝置（National
Ignition Facility, NIF），這是加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore
National
Laboratory）耗資35億美元的激光裝置。十多年來，NIF一直在努力實現其既定目標，即產生比消耗更多能量的聚變反應。 但在12月5日的深夜，情況發生了變化。當地時間淩晨1點，研究人員使用激光束轟擊一個微小的氫燃料顆粒。激光產生了2.05兆焦耳的能量，而顆粒釋放了大約3.15兆焦耳的能量。 這是核聚變科學領域半個多世紀以來一直在努力實現的一個重要裏程碑。 “在我們的實驗室裏，我們已經為此工作了近60年，”利弗莫爾NIF項目的負責人馬克·赫爾曼（Mark
Herrmann）對NPR說。“這是一項不可思議的團隊成就。” 研究人員表示，核聚變能源有一天可以提供清潔、安全、沒有溫室氣體排放的電力。但即使宣布了這一消息，獨立科學家們仍然認為，這個夢想還需要幾十年的時間才能實現。 英國劍橋大學的核工程師托尼·魯斯通（Tony
Roulstone）說，“我認為這個成果非常了不起，但仍存在許多工程障礙。我們真的不知道發電廠會是什麽樣子。” 按照這樣的速度，核聚變發電對拜登政府來說還不夠快，拜登政府正尋求到2050年將美國的溫室氣體淨排放量降至零——專家表示，為了避免氣候變化的最壞影響，必須實現這一目標。 核聚變最終可能會點亮你的燈，幫助你結束對化石燃料的依賴。以下是你需要了解的關於這種新形式的核能的信息。

什麽是核聚變？為什麽它很重要？長期以來，聚變能激發了核科學家和工程師的想象力。核聚變複製的能量與太陽提供能力的過程相同。當兩個或多個原子融合成一個更大的原子時，就會發生核聚變，這一過程會以熱的形式產生大量的能量。 幾十年來，世界各地的科學家一直在研究核聚變，希望用一種新的能源來重新創造核聚變，這種能源可以提供無限的、無碳的能源，而不像目前的核反應堆那樣產生核廢料。核聚變項目主要使用氘和氚兩種元素，它們都是氫的同位素。 一杯水中的氘，加上一點氚，可以為一所房子提供一年的電力。氚更稀有，獲取起來也更困難，盡管它可以通過人工合成獲得。 “與煤炭不同，你隻需要少量的氫，而氫是宇宙中發現的最豐富的東西，”Carbon
Direct首席科學家、勞倫斯利弗莫爾前首席能源技術專家胡裏奧·弗裏德曼告訴CNN。“氫存在於水中，所以產生這種能量的物質是無限的，而且是清潔的。”

核聚變和核裂變有什麽不同？

美國能源部對於核裂變（圖左）和核聚變給出了一個簡單的對比。簡單來說，聚變更安全、更高效，使用材料更簡單易得。

一提到核能，人們就會想到冷卻塔和蘑菇雲。但是核聚變是完全不同的。

核聚變將兩個或兩個以上的原子融合在一起，而裂變則相反，它是把一個較大的原子分裂成兩個或多個較小的原子的過程。核裂變是當今世界各地為核反應堆提供動力的一種能源。和核聚變一樣，原子分裂產生的熱量也被用來產生能量。

根據美國能源部的說法，核裂變也是零排放的能源。但它會產生揮發性放射性廢物，必須安全儲存，並存在安全風險。核熔毀雖然罕見，但在曆史上也曾發生過，造成廣泛而致命的後果，比如福島和切爾諾貝利反應堆。

核聚變不會帶來同樣的安全風險，而且用於核聚變的材料的半衰期比裂變短得多。

核聚變能源最終如何點亮你家裏的燈？產生核聚變的方法主要有兩種，但結果都是一樣的。兩個原子的聚變會產生巨大的熱量，這是產生能量的關鍵。這些熱量可以用來加熱水，產生蒸汽，轉動渦輪機來發電，就像核裂變產生能量一樣。 利用核聚變能源的最大挑戰是將其維持足夠長的時間，以便為全球的電網和供暖係統供電。美國的成功突破是一件大事，但它的規模仍然遠遠小於產生足夠的能量來運行一個發電廠，更不用說成千上萬的發電廠了。 倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯合主任傑裏米·奇滕登（Jeremy
Chittenden）說：“這次產生的能量相當於燒開10壺水。為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。”

為什麽這次突破很重要？這是科學家們首次成功地製造出一種能獲得淨能量的核聚變反應。 雖然在商業上可行之前還有很多步驟，但科學家們必須證明他們可以創造出比開始時更多的能量。否則，開發它就沒有多大意義了。 弗裏德曼在接受CNN采訪時表示：“這非常重要，因為從能源的角度來看，如果你釋放的能量不超過你輸入的能量，它就不能成為一種能源。先前的突破也很重要，但這與生產有朝一日可以大規模使用的能源是兩碼事。”

哪些國家在研究核聚變？

美國國家點火裝置內部。

美國、英國和歐洲有幾個核聚變項目。法國是國際熱核實驗反應堆（ITER）的所在地，有35個國家正在進行合作，其中包括主要成員中國、美國、歐盟、俄羅斯、印度、日本和韓國。

在美國，大部分工作是在加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置進行的，該實驗室的建築麵積有三個足球場那麽大，十層樓高，是世界上最強大的激光係統。

國家點火裝置項目通過所謂的“熱核慣性聚變”從核聚變中產生能量。在實踐中，科學家將192束激光束瞄準一個由黃金和貧鈾製成的微型圓柱體，圓柱體裏麵是一個比胡椒粒還小的鑽石膠囊。這個膠囊就是魔法發生的地方——它充滿了氫的兩種同位素，它們融合在一起時可以釋放出驚人的能量。

係統基本上以每秒50次的速度製造出一係列極快、重複的爆炸。當激光射向目標時，它們會產生X射線，在幾分之一秒內蒸發鑽石。鑽石毀壞產生的衝擊波粉碎氫原子，使它們融合並釋放能量。從中子和粒子中收集的能量以熱的形式被提取出來。

國家點火裝置於2009年首次開放，但其最初的激光束撞擊遠未達到預期。目標中的氫未能“點燃”，一直是到了2021年8月，經過多年緩慢但穩定的進展，物理學家終於點燃了膠囊內的氫氣，產生了可以自我維持的燃燒。這個過程類似於點燃汽油，羅切斯特大學激光能量學實驗室的首席科學家裏卡爾多·貝提（Riccardo
Betti）說：“從一個小火花開始，然後火花變得越來越大，然後燃燒蔓延開來。”

在英國和法國的ITER項目中，科學家們正在使用巨大的甜甜圈形狀的機器，上麵裝有被稱為托卡馬克（tokamak）的巨型磁鐵，試圖產生同樣的結果。

下一步是什麽？科學家和專家們現在需要弄清楚如何在更大的範圍內從核聚變中產生更多的能量。 與此同時，他們需要弄清楚如何最終降低核聚變的成本，以便將其用於商業用途。 奇滕登說：“目前，我們為每一個實驗都花費了大量的時間和金錢。我們需要大幅降低成本。” 科學家還需要收集核聚變產生的能量，並將其轉化為電能輸送到電網。核聚變技術要想生產出無限量的清潔能源，還需要數年甚至數十年的時間。為了在本世紀末將全球變暖控製在2.7華氏度，世界必須在2030年之前將碳排放量減少近一半——這比發展核聚變所需的時間要短得多。 弗裏德曼說：“這不會對未來20-30年的氣候減緩做出有意義的貢獻。這就是點燃火柴和建造燃氣輪機的區別。” 盡管如此，美國海軍研究實驗室的核科學家阿拉蒂·達斯古普塔（Arati
Dasgupta）對NPR說，長期潛力是驚人的。一大堆排放碳的煤隻能發電幾分鍾，而同樣數量的聚變燃料可以讓發電廠運轉數年，而且沒有二氧化碳排放。但是，她補充說，仍然存在許多技術問題。“這是一項艱巨的任務。” 貝提也認為，建造一座核聚變工廠的時間“肯定是幾十年”。但他補充說，這種情況可能會改變。“總有突破的可能，”他說。美國能源部的新成果可能有助於推動這一突破。“這樣的突破會讓更多的人去研究這種形式的聚變，看看我們是否能把它變成一個能源製造係統。”