美國可控核聚變實驗，再次實現凈能量增益！

去年12月14日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次實現可控核聚變點火成功，為全人類摘下清潔能源「圣杯」。

LLNL在向目標提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。 

7月30日，該實驗室復現了這一實驗。這一次，能量輸出大于3.5兆焦耳，比12月那次更高。這種能量可以為家用熨斗供電一個小時。

人類離無限零碳電力又近了一步。

再次點火成功！

和去年年底一樣，這次的消息，依然是由英國《金融時報》曝出。

LLNL實驗室證實，這次的激光設施再次實現了能量增益，現正在對結果進行分析。

自去年12月首次成功點火以來，研究者一直在進行實驗。7月30日的實驗中，他們在NIF上再次點火成功。

實驗結果將在科學會議和同行評審出版物上發表。

未來能源路線或將徹底改變

簡單地說，「核聚變」就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。

兩個氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質量比原來的氫原子略小。根據愛因斯坦標志性的E=mc2質能方程，這個質量差會轉化為能量爆發出來。

在太陽的核心，每秒都在發生6.2億噸氫的核聚變。產生的能量，是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚變的一大難題之一，就是如何讓核聚變反應釋放的能量大于輸入的能量，并且讓過程可持續。

從上世紀50年代以來，無數的物理學家就一直希望從核聚變反應中產生比消耗更多的能量。

如果攻克了這個最大的難題，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。

也就是說，到了那時，就不再有煤和石油燃燒產生的溫室氣體，不再有危險、長效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」。

這意味著進入電氣時代后，一直困擾著人類的能源緊缺問題將從此消失。

人類甚至能在可控核聚變帶來的恒星級能源中，實現前所未有的科技突破。

NIF點火原理

20世紀60年代，LLNL的一組先鋒科學家就作出假設：激光可以用來在實驗室環境中誘導核聚變。

隨后，在物理學家John Nuckolls的領導下，這一革命性的想法演變為慣性約束核聚變。

為了實現這一概念，LLNL建立了一系列越來越強大的激光系統，最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。

實驗中，激光器模仿了太陽中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

激光在進入環空器后，會擊中內壁并使其發出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽中心還熱，并將其壓縮到地球大氣壓的1000億倍以上。

高能激光會使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅使，最終會向中央坍縮發生內爆。

在內爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發生鏈式反應——也就是「點火」，隨之便會放出大量能量。

進展正在加快

完成核聚變從0到1的這一步我們走了60年，但從1到100000我們只用了8個月。

倫敦帝國理工學院的Jeremy Chittenden說，大多數物理學家認為LLNL 2021年的實驗是人類歷史上可控核聚變真正的里程碑。

在這次實驗中，證明了使用NIF的可控核聚變反應堆能夠實現。

而在2022年12月，被媒體瘋狂報道的人類第一次獲得的可控核聚變帶來的「凈增量能源」，只是2021年實驗所證明的結果——對之前產量的進一步提升。

這次實驗也是如此，LLNL提取到的能量比前一次增加了。這表示科學家們現在已經知道了如何把握實驗中的細節，以產生更多的能量。

但這距離NIF的激光完全燃燒反應物產生的能量還差得遠。

Chittenden表示在目前LLNL的實驗中，僅有百分之幾的燃料被反應了。

但這次LLNL所取得的進步足以證明，在突破0到1的桎梏后，可控核聚變的進步將一路狂飆。

核聚變發電問題已被解決？

但是這次成功點火，也并不意味著聚變發電已經成功解決。

其中一個大問題，就是激光的低效。

雖然反應堆的輸出高于激光的輸出，但激光本身效率非常低。為了產生2.1兆焦耳的能量，它們需要500萬億瓦特，這比整個美國國家電網的輸出還要多。（也就是此前屢屢被人調侃的35億美元燒開10壺水）

所以，以后的重大挑戰是，如何創造一個反應，讓總能量需求達到平衡，而不僅僅是最后激光階段的反應。

另一個問題是，NIF反應堆只能點火一次，持續幾十億分之一秒，然后就必須花幾個小時冷卻組件，才能再次啟動。

而如果想要將聚變反應堆應用于商業發電，就需要讓激光器每秒加熱目標10次。這并非根本不可能，但從工程角度來看，是非常困難的。

并且，即使一個反應堆可以長時間運行，且通過激光抵消其真正的能量需求，它仍然只是達到了收支平衡。

如果想讓核聚變成為全新的能源方案，就必須能夠提取大量的凈能量。唯有如此，才能讓建造反應堆的巨大成本物有所值。

另一種核聚變裝置：托卡馬克反應堆

目前的核聚變反應堆，通常使用以下兩種方法來產生所需的熱量：

• 磁約束反應堆（托卡馬克環形反應堆），除了輔助熱源外，還會使用磁鐵來加熱和容納氫原子；
• 基于激光的系統，則使用大量的激光脈沖來轟擊氫原子。

托卡馬克裝置的工作原理是，加熱到超過1億攝氏度時，會產生旋轉的氫同位素等離子體，它們將會碰撞，而產生聚變反應。超級磁鐵產生的磁場隨后會將等離子體包含起來，以防止其破壞反應堆。

而兩種反應堆的最大區別，在于聚變反應所需的時間。

磁反應堆可以使聚變過程持續更長時間，但需要更多的能量；相比之下，基于激光的反應堆，可以讓核聚變在很短的時間內發生，而且現在已經一定程度上跨過了凈能量增益的門檻。

在托卡馬克裝置中，需要依靠強磁場實現對高溫等離子體的約束，因此超導磁體是核心部件之一。

獲得同樣的聚變功率，提高磁場強度，能夠有效縮小托卡馬克裝置的規模和造價。