人类核聚变取得突破性进展:什么是核聚变?为什么如此重要?

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12 月 14 日上午消息,据报道,当地时间周二,美国能源部(DOE)宣布,研究人员在核聚变方面取得历史性的突破,首次从一个实验性核聚变反应堆中实现了“净能量增益”,这让许多人对未来生成更多的清洁能源充满了希望。

这一突破是由美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)“国家点火装置”(NIF)研究人员在 12 月 5 日取得的。对许多人来说,核聚变可能是一个新概念,但自 20 世纪 40 年代以来,科学家们就一直在研究它。但是,研究人员却面临着一个严峻的挑战:如何生产出更多的能量(高于所消耗的能量),这几乎是一个不可逾越的挑战,直至今日。

这一次,研究人员向目标输入了 2.05 兆焦耳的能量,最终产生了 3.15 兆焦耳的聚变能量输出,即产生的能量较输入的能量高出 50% 多。这也是研究人员首次在实验中取得有意义的能量增长。

什么是核聚变呢?

核聚变就是两种较轻的元素结合在一起,形成较重的元素的过程。这与太阳提供能量的方式相同,即氢原子的质子在核心以令人难以置信的高温猛烈碰撞,融合在一起产生氦原子。

在地球上,核聚变是通过融合元素氘(重氢)和氚(超重氢)来实现的。氘的含量非常丰富,可以在水中找到,尤其是海洋中。而氚的含量较低,主要存在于我们的大气中,是宇宙辐射的结果。此外,氚也可以在核爆炸中产生,是核反应堆的副产品。

太阳的巨大引力使它能够聚变氢原子,但要在地球上创造聚变,科学家需要施加大约 1 亿摄氏度的温度和极高压力,即比太阳核心温度高 10 倍。

虽然有不同的方法来尝试产生核聚变,但劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)“国家点火装置”(NIF)的研究人员使用了 192 束激光,聚焦在一个圆柱体的内壁上,该圆柱体内有一个非常小的“胶囊”装置,里面装着聚变燃料:氘和氚。当激光射向目标时,它们会产生 X 射线,然后挤压燃料,在极短的时间内蒸发“胶囊”装置,所产生的冲击波会粉碎氢原子,使它们融合并释放能量。

虽然此次产生的能量很小,大约 3 兆焦耳(足够给一个灯泡供电),但它标志着核聚变能源的历史性首次,因为激光只发射了略高于 2 兆焦耳的能量,即产生的能量,较输入的能量高出 50% 多。

它与现有核能有什么不同?

谈及核能,许多人可能会想到我们今天拥有的核反应堆。但不同的是,这些反应堆使用的是“核裂变”。

裂变与聚变正好相反,聚变迫使原子聚集在一起,而核反应堆(裂变)通过分离重原子来产生能量。

核聚变还能产生清洁能源。与核反应堆不同,这一过程不会产生副产品,如核电厂中发现的乏燃料棒(spent rod)。

另外,与裂变不同,核聚变不会发生核熔毁现象,也不能用来制造核武器。

国际原子能机构(IAEA)还解释说,虽然氢弹确实使用聚变反应,但需要第二颗裂变炸弹来引爆它。

为什么说核聚变很重要?

当前,地球正面临着几个世纪以来燃烧化石燃料造成的气候危机。其结果是,洪水、干旱、海平面上升等现象将会加剧。我们已经看到这种情况正在发生,地球变得越暖,这些灾难就会变得越严重。

如今,地球已经变暖了大约 1.2 摄氏度。根据 2015 年《巴黎气候协议》设定的目标,我们要在本世纪末将其控制在 1.5 摄氏度以内,这样才能使与气候相关的灾难减少。因此,科学家和工程师一直在努力开发具有成本效益的清洁能源。

这就是核聚变的用武之地。它不会产生有害的二氧化碳或甲烷,而且效率很高。根据国际原子能机构(IAEA)的说法,聚变每公斤燃料产生的能量是裂变的四倍,是燃烧石油或煤炭的近 400 万倍。

美国能源部长詹妮弗?格兰霍姆(Jennifer Granholm)周二在一份声明中表示:“这是一项里程碑式的成就,让我们更接近于拥有丰富的零碳聚变能源,从而帮助人们解决人类最复杂和最紧迫的一些问题,包括提供清洁能源来应对气候变化。”

何时才能用聚变作为能源呢?

虽然这是历史性的第一次,但这并不意味着我们已经准备好大规模生产能源。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)负责人金?布迪尔(Kim Budil)称,这一成就是人类有史以来解决的最重大的科学挑战之一。但是,到目前为止,无论是在科学上,还是技术方面,都存在着不小的障碍。

布迪尔说:“这只是一次实验成果,要实现商业聚变能源,必须要持续产生这样的结果,必须要有一个强大的驱动系统来实现这一点。”。她还补充说,尽管不需要一些科学家之前预期的那么长的时间,但至少需要几十年的时间才能开发出足够的基础技术来建造一座核聚变电站。

除了美国,还有其他一些国家在研究核聚变。在法国,有一个多方合作的国际热核实验反应堆(ITER),这是一个重 2.3 万吨、高近 30 米的大型核聚变反应堆,计划在大约 10 年后开始运营。

在加拿大,General Fusion 等私营公司也在研究相关技术。此外,中国、英国和德国的一些民营企业在致力于聚变方面的研究。

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