核聚變重大突破！人類首次實(shí)現(xiàn)輸出能量超過輸入

alex 2022-12-14 13:33:27 來源：量子位

Alex 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

物理界的Breaking News來了！

科學(xué)家首次在聚變反應(yīng)中，實(shí)現(xiàn)了凈能量增益——也就是說，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，比注入的能量還多。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間周二上午7點(diǎn)，美國(guó)能源部和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），共同官宣了這一里程碑式的成果。

現(xiàn)在，美國(guó)能源部官方賬號(hào)的相關(guān)消息已經(jīng)收獲了4萬(wàn)+點(diǎn)贊和1.4萬(wàn)轉(zhuǎn)發(fā)。

其實(shí)在美國(guó)能源部開直播前，就已有風(fēng)聲傳出，然后迅速引來大波關(guān)注，在知乎上也引起了熱議。

陳怡然教授還評(píng)價(jià)稱：

這是個(gè)影響全人類的大新聞，讓大家離人造太陽(yáng)邁進(jìn)了一大步。

說到“人造太陽(yáng)”，實(shí)際從上世紀(jì)50年代起，科學(xué)家就開始想著試圖模仿太陽(yáng)產(chǎn)生能量的“套路”，即氫核聚變。

然鵝…核聚變過程本身也會(huì)消耗巨大的能量，我們卻沒有太陽(yáng)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(yīng)中獲得了凈能量增益。

而就在12月5日，LLNL的一次新實(shí)驗(yàn)，卻終于書寫了歷史的新篇章：

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

也就是說，能量增益高達(dá)約150%。

怎么做到的？

據(jù)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(jiǎn)單來說，就是在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)聚變反應(yīng)中形成的等離子體增溫增壓，利用內(nèi)部原子核自身的慣性，讓它們?cè)谙蛩闹芘蛎浺萆⒅熬涂朔舜酥g靜電斥力，完成融合。

對(duì)了~關(guān)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(xiàn)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(biāo)容器會(huì)向外爆炸。

在爆炸過程中，除了容器表層，其余部分會(huì)產(chǎn)生反作用力，使其向內(nèi)加速并壓縮里面的燃料。

另外，這個(gè)過程還會(huì)產(chǎn)生大量沖擊波，壓縮并加熱中心的燃料，從而促使核聚變發(fā)生。

目前，世界最強(qiáng)大的激光點(diǎn)火裝置，是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)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(shí)驗(yàn)用到的激光裝置，正是NIF。

研究人員用多達(dá)192道的激光束，照射處于輻射平衡態(tài)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(yīng)過程中，產(chǎn)生的X射線炸開了原來的粒子，燃料層內(nèi)爆，為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

最終在NIF的加持下，這次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)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(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

簡(jiǎn)單來說，原料部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量——這個(gè)符合質(zhì)能守恒定律，可以參考愛因斯坦提出的經(jīng)典質(zhì)能方程：E=mc2。

意味著什么？

要講清楚這個(gè)問題，還得從什么是核聚變說起。

簡(jiǎn)單來說，核聚變是指由兩個(gè)較輕的原子核，合成一個(gè)較重的原子核。

而核裂變則是指由一個(gè)重的原子核分裂成兩個(gè)或多個(gè)較小的原子。

提到“核裂變”、“核聚變”，大伙兒一般會(huì)想到原子彈和氫彈。

其實(shí)除此之外，核裂變還已經(jīng)被用來發(fā)電——聽說過核電站吧？

在核電站中，利用核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來加熱水，然后水蒸汽會(huì)推動(dòng)汽輪機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。不過，核裂變會(huì)產(chǎn)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(yīng)幾乎沒有碳排放，產(chǎn)生的長(zhǎng)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(shù)百年。

還有，核聚變?nèi)剂蟽?chǔ)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(shù)億噸的氘，如果當(dāng)核聚變發(fā)電成真，僅一升的海水，就能產(chǎn)生相當(dāng)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(yīng)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(duì)于LLNL的這項(xiàng)成果，英國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局副局長(zhǎng)Arthur Turrell感慨道：

這讓科學(xué)家們幾十年來的夢(mèng)想終于成真了。

人們苦苦研究無(wú)碳清潔能源已有多時(shí)，該成果對(duì)于未來開發(fā)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?cè)鲆娲笥谝唬≦>1）是件可以做成的事情。

雖然目前這項(xiàng)成果離商業(yè)化落地還相距甚遠(yuǎn)：真的有應(yīng)用意義，至少Q(mào)要達(dá)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(wǎng)友甚至估算了核聚變發(fā)電商用時(shí)間：

如果速度能像之前核聚變領(lǐng)域其他實(shí)驗(yàn)?zāi)菢樱A(yù)計(jì)在2050左右就真的可以落地了。

△圖源：知乎@樹樹

另外，據(jù)Nature報(bào)道，國(guó)際核聚變項(xiàng)目ITER的負(fù)責(zé)人Time Luce表示：

像這樣有影響力的成果，還能吸引人們對(duì)各種類型的核聚變產(chǎn)生更多興趣，投入更多精力去探索，對(duì)一般的核聚變研究也會(huì)產(chǎn)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(yè)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