每日經濟新聞 2022-12-14 16:28:30
每經記者 李孟林 每經編輯 王月龍 高涵
當地時間12月13日，美國能源部宣布，美國科研人員在研究核聚變能源方面取得重大突破。據路透社援引消息人士稱，位于加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科研人員在一次使用激光的核聚變實驗中，首次實現了凈能量增益。
自1958年科學家向世界公布核聚變研究以來，人類孜孜不倦地希望通過在地球上復制核聚變的過程，來獲得幾乎無限的清潔、安全和廉價的能源。而在此之前，科學家遲遲未能攻克第一道攔路虎：如何讓核聚變產出的能量大于觸發(fā)反應所投入的能量。
因此，在美國能源部證實美國科學家已經實現了核聚變產出大于投入的“凈能量增益”后，立刻引發(fā)了科學界的轟動。在世界正面臨化石能源導致的氣候危機之下，坊間更有樂觀的議論認為，一勞永逸地解決能源問題已經出現曙光。據美國能源部，實驗產生的能量比投入的能量多50%以上。
科學家指出，此次實現的凈能量增益是數十年來最重要的科學成果之一，是對核聚變原理的概念驗證，但人類離用上核聚變能還有很長的路要走，能量增益的規(guī)模還需要大幅提高才能考慮轉化為電力的事情。
英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker在采訪中對《每日經濟新聞》記者表示，這次實驗結果對各國的能源轉型政策短期內并無影響，核聚變并不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但可以在未來的清潔能源結構中，扮演維持基本負載電力的重要角色。
核聚變技術的“歷史性突破”？
業(yè)內人士：核心物理學原理已被攻克
當地時間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，首次成功在核聚變反應中實現了凈能量增益。據悉，實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產生的能量比投入的能量多50%以上。
“這是過去二三十年來最大的科學成果之一，” 貝爾法斯特女王大學研究激光和等離子物理學的Gianluca Sarri表示。
要理解這項成就的重要性，就得知道實現增益的難度。據國際原子能機構，核聚變是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程，這一過程發(fā)生在一種叫作等離子體的物質狀態(tài)中。在地球上，人類需要超過1億攝氏度的溫度和強大的壓力，才能促成氘（重氫）和氚（超重氫）的混合物發(fā)生核聚變，而且還需要將等離子體和聚變反應保持足夠長的時間，才能獲得凈能量增益。
圖片來源：國際原子能機構
LLNL實驗室采用了一種名為慣性約束聚變的路徑。在發(fā)布會上，美國國家核安全局官員Marv Adams用簡單的語言解釋了該實驗室“國家點火設施”的實驗過程：規(guī)模相當于三個足球場的192個激光器組合，從兩端向一個圓柱體發(fā)射激光束，將能量注入，而圓柱體中一個僅有半個氣槍BB彈大小的靶丸受到擠壓，球內的氘氚聚變燃料被“點燃”，產生出能量。整個聚變過程發(fā)生速度極快，比光運動一英尺（2.54厘米）的時間還快。
國家點火設施實驗過程 圖片來源：美國能源部
國家點火設施此前已經多次重復了這一過程，最好的成績是產出和投入能量比為70%，仍然是凈能量損失。這一次的不同之處在于，聚變燃料的超高溫、能量密度和維持的時間都達到了臨界標準，最終達成了點燃的效果，產生出了更多的能量。
“這一結果是慣性約束聚變作為發(fā)電技術的分水嶺時刻。長期以來，（激光沖擊的）目標產生能量增益就是衡量成功的標準，它意味著核心的物理學原理已經被攻克，”英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對《每日經濟新聞》記者表示，“從這一結果到發(fā)電的物理學路徑是非常清楚的，而且風險大大降低了?！?/strong>
核聚變作為能源來源的優(yōu)點十分突出。首先是極大的能量密度。據國際原子機構，核聚變產生的能量是核裂變（目前使用的核電技術）的四倍，理論上，只需要幾克氘氚反應物，就有可能產生一萬億焦耳的能量，這大約是發(fā)達國家的一個人在60年內所需要的能量。其次，和核裂變一樣，核聚變不會向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體。
First Light Fusion的首席財務官David Byron對《每日經濟新聞》記者表示，作為能源生產方式，核聚變擁有核裂變的所有優(yōu)點，同時又能避免后者的很多缺點。
“核聚變不會存在核反應堆融毀的情況，從本質上來說就很安全。簡單來說，核裂變反應堆的功能是控制能量釋放的速度，避免其失控；核聚變則相反，它需要創(chuàng)造聚變發(fā)生的條件，假如停止投入聚變燃料，或者沒有合適的高溫條件，聚變反應自己就停止了，”David Byron解釋道。
此外，核聚變過程中不會出現制造武器級別的材料。對于很多沒有核武器的國家而言，由于核裂變技術的出口管制，他們無法發(fā)展核能，但核聚變就不存在這個問題。核聚變也不會產生長時間的放射性核廢料，不需要花幾代人來清理。“因此核聚變技術有望幫助更多國家擺脫貧困，” David Byron補充道。
人類距離用上核聚變能源還有多遠？
如果人類有一天能大規(guī)模應用核聚變作為能源，無疑意味著地球能源結構翻天覆地的重構。此次核聚變實現凈能量增益，讓我們離這一天還有多遠呢？科學界認為，要用上核聚變能，需要經歷實驗室點火和燃燒、聚變發(fā)電演示和商用發(fā)電三個階段，目前我們還處于第一階段，而且還有很多挑戰(zhàn)尚未解決。
“在協(xié)同的努力和投資之下，對底層技術再進行數十年的研究，我們或許可以開始建造（核聚變）發(fā)電廠，” LLNL實驗室的主任Kim Budil在發(fā)布會上預測，“還存在很多科學和技術上的重大挑戰(zhàn)。這次只是一次性點燃一個靶丸，要實現商用聚變能，需要達成每分鐘非常非常多次的聚變點燃，而且還需要強大的驅動系統(tǒng)才能實現?！?/span>
牛津大學物理學教授、LLNL實驗室核聚變項目的咨詢專家Justin Wark對科學傳播組織SMC表示，LLNL實驗室理論上可以每天重復一次類似的點燃成果，但核聚變電廠需要的是每秒鐘十次。
另一方面，凈增益能量也需要大幅提高。劍橋大學核能講師Tony Roulstone對SMC表示，根據《金融時報》當時報道的數據，實驗室為產生激光而投入了500兆焦的能源，最終輸送到靶丸上的能源才1.8兆焦，雖然最后實現了凈能量增益（2.5兆焦），但從整個過程來看，實際上產出只占投入的0.5%。從工程學的角度而言，最終需要產出的能量為投入激光組能量的兩倍才算達到目標，因為從聚變熱能轉化為電力的過程中還會產生能量損失。
“因此可以說，國家點火設施的實驗結果是一項科學上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長一段路要走，” Tony Roulstone表示。
假如核聚變還需要數十年才能投入應用，那么它對于應對迫在眉睫的氣候變化可能無法發(fā)揮重要作用。
科學倡導組織憂思科學家聯盟（Union of Concerned Scientists）的核能安全主管Ed Lyman對政治新聞網Politico表示：“不是說要貶低他們的成就，但還是得謹慎看待。（核聚變）對于實現脫碳而言晚得不是一點點。我們需要在接下來的一二十年努力脫碳，而就算根據最樂觀的預估，核聚變能也要2040年代才能出現?！?/span>
First Light Fusion毫無疑問屬于樂觀派。首席財務官David Byron對《每日經濟新聞》記者表示，公司預計在2030年代早期到中期，就可以修建并入電網的核聚變電站試點項目，也就是說還有十年的時間。
這一時間節(jié)點也是很多核聚變產業(yè)人士的預測，不過核聚變的布局時間線并不可靠。早在2012年，國家點火設施的主管曾預測十年內聚變技術就能達到商業(yè)可行性，但現在這個時間點已經差不多過去了。
First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對每經記者坦承，對于能源領域而言，本次實驗結果不會產生直接的影響，必須繼續(xù)投入風能、太陽能等可再生能源。“這不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但是我們需要清潔的基本負載電力，這是核聚變發(fā)揮作用的地方，” Nick Hawker表示。
David Byron補充解釋說，我們需要盡可能多的風能和太陽能，但由于選址和土地使用等因素限制，可再生能源無法完全滿足人類的需求。此外，受自然條件影響，可再生能源還有間歇性的問題，因此人類需要能24小時持續(xù)滿足電網系統(tǒng)最低電力需求（基本負載電力）的發(fā)電廠，這就是核能（包括裂變和聚變）發(fā)揮作用的地方。由于核聚變安全性更好，監(jiān)管批準的負擔比核裂變發(fā)電廠要小很多，因此未來將發(fā)揮重要作用。
記者|李孟林
編輯|王月龍?高涵 杜波
校對|程鵬
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