核聚變重大突破！人類首次實現輸出能量超過輸入

alex 2022-12-14 13:33:27 來源：量子位

Alex 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

物理界的Breaking News來了！

科學家首次在聚變反應中，實現了凈能量增益——也就是說，聚變反應產生的能量，比注入的能量還多。

當地時間周二上午7點，美國能源部和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），共同官宣了這一里程碑式的成果。

現在，美國能源部官方賬號的相關消息已經收獲了4萬+點贊和1.4萬轉發。

其實在美國能源部開直播前，就已有風聲傳出，然后迅速引來大波關注，在知乎上也引起了熱議。

陳怡然教授還評價稱：

這是個影響全人類的大新聞，讓大家離人造太陽邁進了一大步。

說到“人造太陽”，實際從上世紀50年代起，科學家就開始想著試圖模仿太陽產生能量的“套路”，即氫核聚變。

然鵝…核聚變過程本身也會消耗巨大的能量，我們卻沒有太陽那樣巨大的引力。

迄今為止，沒有任何其他研究者在核聚變反應中獲得了凈能量增益。

而就在12月5日，LLNL的一次新實驗，卻終于書寫了歷史的新篇章：

官方數據顯示，LLNL這次輸入的能量為2.05兆焦耳（MJ），在核聚變反應后的輸出能量約為3.15兆焦耳。

也就是說，能量增益高達約150%。

怎么做到的？

據知情人士透露，LLNL的研究人員采用了一種名為慣性約束核聚變?（Inertial Confinement Fusion）的工藝。

所謂“慣性”，簡單來說，就是在極短時間內對聚變反應中形成的等離子體增溫增壓，利用內部原子核自身的慣性，讓它們在向四周膨脹逸散之前就克服彼此之間靜電斥力，完成融合。

對了~關于什么是“慣性約束核聚變”，想要深入了解的友友們可以去看看量子位之前專門做的一期視頻。【https://www.bilibili.com/video/BV1KB4y1i7q2/】

話說回來，現在的一大主流加熱方式就是激光，在光束加熱作用下，顆粒等目標容器會向外爆炸。

在爆炸過程中，除了容器表層，其余部分會產生反作用力，使其向內加速并壓縮里面的燃料。

另外，這個過程還會產生大量沖擊波，壓縮并加熱中心的燃料，從而促使核聚變發生。

目前，世界最強大的激光點火裝置，是美國的國家點火設施（National Ignition Facility，NIF），已耗資約35億美元（約合人民幣244億元）。

而本次實驗用到的激光裝置，正是NIF。

研究人員用多達192道的激光束，照射處于輻射平衡態的空腔（hohlraum），也就是包裹著氘和氚，針頭大小的球狀顆粒。

通過激光作用，氘和氚的混合物形成了超熱氫等離子體。

另外，在反應過程中，產生的X射線炸開了原來的粒子，燃料層內爆，為核聚變的發生創造了條件。

最終在NIF的加持下，這次實驗產生了足夠多的熱量，并且這些熱量在燃料中傳播足夠快，使得輸出的能量超過了輸入。

△圖源：美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

簡單來說，原料部分質量轉化成了能量——這個符合質能守恒定律，可以參考愛因斯坦提出的經典質能方程：E=mc2。

意味著什么？

要講清楚這個問題，還得從什么是核聚變說起。

簡單來說，核聚變是指由兩個較輕的原子核，合成一個較重的原子核。

而核裂變則是指由一個重的原子核分裂成兩個或多個較小的原子。

提到“核裂變”、“核聚變”，大伙兒一般會想到原子彈和氫彈。

其實除此之外，核裂變還已經被用來發電——聽說過核電站吧？

在核電站中，利用核裂變反應產生的熱量來加熱水，然后水蒸汽會推動汽輪機，進而驅動發電機發電。不過，核裂變會產生大量輻射，放射性核廢料的處理也一直讓人頭疼。

相比起來，核聚變反應幾乎沒有碳排放，產生的長效放射性廢料也燒的多。從理論上講，一小杯氫燃料就足以給一棟房子供電數百年。

還有，核聚變燃料儲備量極為豐富——其主要燃料是氫的同位氘和氚。

之前的研究表明，海洋含有數億噸的氘，如果當核聚變發電成真，僅一升的海水，就能產生相當于300升汽油的能量。

而氚雖然本身比較罕見，但能通過自然界中極為豐富的鋰元素來反應獲得，比較容易操作。

總而言之，核聚變供能具有特別香的BUFF：既清潔又幾乎取之不盡。

對于LLNL的這項成果，英國國家統計局副局長Arthur Turrell感慨道：

這讓科學家們幾十年來的夢想終于成真了。

人們苦苦研究無碳清潔能源已有多時，該成果對于未來開發核聚變供能，有著重大意義。

一位科研工作者也表示：

這至少讓我們能知道，人工可控核聚變增益大于一（Q>1）是件可以做成的事情。

雖然目前這項成果離商業化落地還相距甚遠：真的有應用意義，至少Q要達到10以上；不過這仍然是一件振奮人心的事。

△圖源：知乎@Quantum1024

還有網友甚至估算了核聚變發電商用時間：

如果速度能像之前核聚變領域其他實驗那樣，預計在2050左右就真的可以落地了。

△圖源：知乎@樹樹

另外，據Nature報道，國際核聚變項目ITER的負責人Time Luce表示：

像這樣有影響力的成果，還能吸引人們對各種類型的核聚變產生更多興趣，投入更多精力去探索，對一般的核聚變研究也會產生積極影響。

最后，大膽開下腦洞——

如果核聚變供能真的成功商業化落地，那未來的核能汽車，是不是加一次燃料就可以用一輩子了？

參考鏈接：
[1]https://www.youtube.com/watch?v=Eke5PawU7rE
[2]https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7
[4]https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/index.html
[5]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7?shareType=nongift
[6]https://www.theverge.com/2022/12/12/23505416/nuclear-fusion-scientific-breakthrough-how-to-watch-announcement-biden
[7]https://www.zhihu.com/question/571894946