可控核聚变实现「还要50年」，现在还剩多少年？

可控核聚变“50年”，现在还有多少年？

可控核聚变终于首次实现净能量增益。

在 12 月 13 日全球关注的新闻发布会上，美国能源部（DOE）和能源部国家核安全局（NNSA）宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）已实现聚变点火，在公布的结果中，他们在受控核聚变实验中首次实现了核聚变反应的净能量增益，即核聚变产生的能量超过了激发聚变所需的能量，太阳的能量可以被在实验室再现。

12 月 5 日，国家点火装置的一个团队进行了有史以来第一次受控聚变实验，达到了科学的能量平衡里程碑，这意味着聚变产生的能量多于用于驱动聚变的激光能量。

该实验是通过用世界上最大的激光撞击微小的等离子体粒子来实现的。实验装置由近 200 个三个足球场大小的激光器组成，以高能量轰击一个小点以引发核聚变反应。

LLNL 的国家点火设施 (NIF)，其中 192 束激光将超过 200 万焦耳的紫外线能量传送到一个微小的燃料粒子，以产生聚变点火。

核聚变是指将两个或多个原子融合成一个更大的原子，该过程会产生大量热能。人类一直希望能够利用这种能源为全球电网提供清洁能源。几十年来，科学家们一直试图在受控环境中融合氢原子以产生氦和中子。

聚变发生后，复合材料比最初制造它们的部件更轻，损失的质量转化为巨大的能量。

E=MC²，这是一种在像太阳这样的恒星中一直发生的反应。

如果核聚变技术能够大规模应用，将提供一种无污染、无温室气体、无放射性废料的能源。

“这是通向清洁能源可能性的绝佳方法。一个多世纪以来，我们对核聚变有了理论认识，但从理解到实践的过程可能是漫长而艰巨的。” 白宫科学顾问 Arati Prabhakar 在能源部的新闻发布会上说。

“感谢 LLNL 和国家点火装置，这对科学界来说是历史性的一天。在取得这一突破时，他们开启了 NNSA 库存管理计划的新篇章，”NNSA 主任 Jill Hruby 说。

长期以来，在可控核聚变实验中，实验消耗的能量总是大于核聚变反应产生的能量。昨天情况发生了变化，当时国家点火装置中的 192 台巨型激光器轰击了一个橡皮擦大小的小圆柱体，其中包含一个包裹着钻石的冷冻氢核。激光束从气缸的顶部和底部发射，使气缸汽化。这会产生向内的 X 射线冲击，压缩氘和氚（氢的较重形式）燃料芯块。

在 LLNL 的国家点火设施中，有一个用于点火的低温靶型空腔。

在持续不到万亿分之一秒的短暂瞬间，2.05 兆焦耳的能量（大约相当于一磅 TNT）轰击了一颗氢弹丸。大量中子粒子（聚变产物）流出，携带约 3 兆焦耳的能量，能量增益约为 1.5。

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结果为核聚变研究人员打了一针强心针，他们长期以来一直因承诺过高和交付不足而受到批评。

该研究实际上早在 1997 年就开始了，然而，到 2009 年投入运营时，在投资 35 亿美元之后最新加拿大28信誉群，该设施几乎没有产生任何聚变。直到 2014 年，利弗莫尔的科学家们终于取得了一些成功，但 National Ignition 产生的能量非常少——大约相当于一个 60 瓦灯泡在五分钟内消耗的能量。随后几年的进展也微乎其微。

然而美国实现核聚变点火，去年八月，该设施产生了更大的能量爆发，产生了激光能量的 70%。利弗莫尔研究所武器物理与设计项目主任马克赫尔曼在接受采访时说，研究人员随后进行了一系列实验，以更好地了解成功的原因。

研究人员在 9 月进行了第一次 2.05 兆焦耳的激光发射，第一次尝试产生了 1.2 兆焦耳的聚变能量。随后，他们分析了这一结果，得出的结论是球形氢粒子没有被均匀挤压，部分氢从侧面喷出，没有达到聚变温度。

科学家们在此基础上进行了一些更精细的调整。

为了进行聚变点火，来自国家点火装置的激光能量在空腔内转化为 X 射线，然后压缩燃料舱直至内爆，产生高温高压等离子体。

Herrmann 说：“我们的期望是实现双倍比率，事实上它可能不止于此。”

核聚变本质上是一种零排放能源，其大规模应用可以显着减少对燃煤和天然气发电厂的需求美国实现核聚变点火，从而降低碳排放。但广泛、实用的核聚变还有很长的路要走。可控核聚变领域有一个著名的“50年悖论”：距离实现可控核聚变只有50年，但为了让核聚变“可控”，科学家们研究了超过50 年。还有50年...

“这可能需要几十年的时间，”LLNL 主任 Kimberly S. Budil 在周二的新闻发布会上说。“这不是六十年，我不认为是五十年，那是我们过去常说的。我认为它正在脱颖而出，也许通过共同努力和投资，对基础技术进行数十年的研究可以让我们建立一座发电厂。”

除了对能源的需求，可控核聚变的实际应用现在有了新的意义。许多气候科学家和政策制定者表示，世界必须到 2050 年实现净零排放，才能实现将升温限制在 2 摄氏度以内的目标，或者更雄心勃勃的 1.5 摄氏度目标。

迄今为止的聚变努力主要使用称为托卡马克的圆形反应堆。在反应堆内部，氢气被加热到足够高的温度，使电子从氢原子核中剥离出来形成等离子体——一团带正电的原子核和带负电的电子。磁场将等离子体困在一个甜甜圈形状中，原子核融合在一起怎么找加拿大28群，以中子的形式释放能量并向外飞。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施目标模块。

NIF 采取了不同的方法，但到目前为止，在将激光聚变发电厂的想法变为现实方面做得很少。“那里有一个很大的障碍，不仅在科学方面，而且在技术方面，”Budil 说。

NIF 配备了世界上最强大的激光，但它是一种缓慢且低效的激光，依赖于几十年的老技术。该设备大约有一个体育场那么大，用于基础科学实验，而不是作为发电的原型。

它每周发射大约 10 次，使用激光聚变方法的潜在商业核设施将需要能够以机枪速度发射的更快的激光器，大约每秒 10 次。

NIF 消耗的能量也仍然比聚变反应产生的能量多得多。尽管与入射激光束中的 2.05 兆焦耳能量相比，最新的实验产生了净能量增益加拿大28群哪里找啊？，但 NIF 需要从电网中吸取 300 兆焦耳的能量才能产生短暂的激光脉冲。

其他类型的激光器效率更高，但专家表示加拿大28卡红，一个可行的激光聚变发电厂可能需要比最近一次聚变发射中观察到的 1.5 更高的能量增益。

“你需要增加到 30-100 才能满足发电厂的需求，”Herrmann 说。“这是我们未来几年要考虑的事情，这些实验表明激光能量的微小差异会产生很大的不同。” 利弗莫尔将继续推动NIF聚变实验达到更高水平。融合输出。

其他几个实验室的研究人员也在研究 NIF 实验的变体。不同波长的其他类型的激光可以更有效地加热氢气。一些人赞成激光聚变的直接驱动方法，它使用激光直接加热氢。这将允许更多的能量进入氢，但也可能产生阻碍聚变反应的不稳定性。

激光点火是核聚变的一种途径，不一定是最好的，但既然它被证明是可行的，我们或许可以期待看到世界各地对相关研究的投资大幅增加。

无论如何，利弗莫尔实验室的结果都是可控核聚变研究的重要一步。“这是一个里程碑，人类首次在实验室中点燃核燃料，”罗彻斯特大学激光能量学实验室的首席科学家 Riccardo Betti 说。