每(mei)經(jing)記(ji)者｜李(li)孟林(lin)    每(mei)經(jing)編輯｜王月(yue)龍 高涵    

當地(di)時(shi)間12月13日，美國(guo)能源部宣(xuan)布，美國(guo)科研人員(yuan)在研究核聚變能源方面取(qu)得重(zhong)大突破。據路透社(she)援引消息(xi)人士(shi)稱，位于(yu)加利(li)(li)福(fu)尼亞州的(de)勞倫斯·利(li)(li)弗莫爾(er)國(guo)家實驗(yan)室（LLNL）的(de)科研人員(yuan)在一次使用激光的核(he)聚變實驗中，首次實現(xian)了凈(jing)能量(liang)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反應所投入的能量。

因此，在(zai)美國(guo)能源(yuan)(yuan)部證實美國(guo)科學家(jia)已(yi)經(jing)實現了(le)核(he)聚(ju)變產出(chu)大(da)于投入的(de)“凈能量增益”后，立刻引發(fa)了(le)科學界(jie)的(de)轟動。在(zai)世(shi)界(jie)正(zheng)面臨化(hua)石能源(yuan)(yuan)導致的(de)氣候危機之下，坊間更(geng)有(you)樂觀的(de)議論認為，一勞永逸地解決(jue)能源(yuan)(yuan)問題(ti)已(yi)經(jing)出(chu)現曙光。據美國能源部，實(shi)驗產生(sheng)的能量比投入(ru)的能量多50%以上。

科(ke)學家指出，此次實現(xian)的(de)(de)凈能量(liang)增益是數十(shi)年來最重要的(de)(de)科(ke)學成果之(zhi)一，是對核聚變(bian)原(yuan)理(li)的(de)(de)概念驗證，但人類(lei)離(li)用上核聚(ju)變能(neng)還有很長(chang)的(de)路要走，能(neng)量(liang)增益的(de)規模(mo)還需要大幅提(ti)高才能(neng)考慮(lv)轉化(hua)為電力的(de)事(shi)情。

英國(guo)(guo)核(he)聚(ju)變(bian)公司First Light Fusion創(chuang)始(shi)人Nick Hawker在采(cai)訪中(zhong)對《每日經濟新(xin)聞(wen)》記(ji)者(zhe)表示(shi)，這次實驗結果對各國(guo)(guo)的(de)能(neng)源轉型(xing)政策短期內并無影(ying)響，核(he)聚(ju)變(bian)并不是解決氣候變(bian)化的(de)靈丹妙藥，但可以在未來的清潔能源(yuan)結構中(zhong)，扮演維持基本負載電力的重要角色。

核聚變技術(shu)的(de)“歷(li)史性(xing)突(tu)破”？

業內人士：核心物理學原理已(yi)被攻克(ke)

當(dang)地時間12月(yue)13日，美國(guo)能(neng)源部(bu)官員宣布，由美國(guo)政府(fu)資助的(de)加州勞倫斯(si)·利弗莫爾(er)國(guo)家實驗室，首次成功在核聚變(bian)反應中實現(xian)了(le)凈能(neng)量增(zeng)益。據(ju)悉，實驗向(xiang)目(mu)標輸入了2.05兆焦耳的能(neng)量，產(chan)生了3.15兆焦耳的聚變能(neng)量輸出，產(chan)生的能(neng)量比投入的能(neng)量多50%以(yi)上。

“這是過去二三十年來(lai)最(zui)大的科學成(cheng)果之一，” 貝爾(er)法斯特女王大學研究激光(guang)和等(deng)離子物(wu)理學的Gianluca Sarri表示。

要理解這項成(cheng)就的(de)(de)重(zhong)要性，就得知道實現(xian)增益的(de)(de)難(nan)度(du)。據國際(ji)原子(zi)能機構，核聚變(bian)是兩個輕原子(zi)核結(jie)合成(cheng)一(yi)個較重(zhong)的(de)(de)原子(zi)核并釋(shi)放出巨大能量(liang)的(de)(de)過(guo)程，這一(yi)過(guo)程發生在(zai)一(yi)種叫作(zuo)等離(li)子(zi)體的(de)(de)物質狀態中。在地球(qiu)上，人類(lei)需(xu)要超過1億攝氏(shi)度的(de)溫度和強大(da)的(de)壓(ya)力(li)，才(cai)能(neng)促成氘（重(zhong)氫）和氚（超重(zhong)氫）的(de)混(hun)合物發生核聚(ju)變(bian)，而且(qie)還需(xu)要將等離子(zi)體和聚(ju)變(bian)反(fan)應保持(chi)足夠長的(de)時間，才(cai)能(neng)獲得凈能(neng)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(ge)聚(ju)變過(guo)程發(fa)生速度(du)極(ji)快(kuai)，比光運動一(yi)英尺（2.54厘米）的時間(jian)還快(kuai)。

國(guo)家(jia)點(dian)火設施實驗過(guo)程 圖片來(lai)源(yuan)：美國(guo)能源(yuan)部

國家點(dian)火設(she)施(shi)此前已(yi)經多次重復了這一過程，最好的成績是(shi)產出和投入能(neng)量(liang)比為70%，仍然(ran)是(shi)凈能(neng)量(liang)損失。這一次的(de)不同之處(chu)在(zai)于，聚變燃料的(de)超高溫、能(neng)量密度和維持的(de)時(shi)間都達到了(le)臨界(jie)標準，最終(zhong)達成了(le)點燃的(de)效果，產生出了(le)更多的(de)能(neng)量。

“這(zhe)一(yi)結果是(shi)慣性約束聚變作為(wei)發(fa)電技術的(de)分水嶺時(shi)刻。長期以來，（激光沖擊(ji)的(de)）目標產生能量增益就是(shi)衡(heng)量成功的(de)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創始人Nick Hawker對《每日經濟新聞》記者表示，“從這一結果到發電的物理學路徑是非常清楚的，而且風險大大降低了。”

核(he)聚變作(zuo)為能源(yuan)來(lai)源(yuan)的(de)(de)優點十(shi)分突(tu)出(chu)。首先是極大的(de)(de)能量密度。據(ju)國際原子機構，核(he)聚變產生的(de)(de)能量是核(he)裂變（目前(qian)使(shi)用的(de)(de)核(he)電技術(shu)）的(de)(de)四倍，理論上(shang)，只(zhi)需(xu)要幾(ji)克氘(dao)氚反應(ying)物，就有可能產生一萬(wan)億(yi)焦耳的能量，這大約是發(fa)達國家的一個人在60年內所需(xu)要的能量。其次，和核裂變一樣，核聚(ju)變不(bu)會向(xiang)大氣(qi)中排放二氧化碳或其他溫室氣(qi)體。

First Light Fusion的(de)首(shou)席(xi)財務官David Byron對《每日經(jing)濟新聞(wen)》記者表示，作為能源生產方式，核聚變擁有(you)核裂變的(de)所有(you)優點，同時又能避免后者的(de)很多缺(que)點。

“核聚變不會存在核反(fan)應(ying)堆融毀的情(qing)況，從本(ben)質(zhi)上來說就很安全(quan)。簡單(dan)來(lai)說，核裂變(bian)反(fan)應堆的功(gong)能(neng)是控(kong)制能(neng)量釋放的速度，避免其失控(kong)；核聚(ju)變(bian)則(ze)相反(fan)，它需要創造聚(ju)變(bian)發生的條(tiao)件(jian)，假如(ru)停止(zhi)投入聚(ju)變(bian)燃料，或者沒有(you)合適的高(gao)溫條(tiao)件(jian)，聚(ju)變(bian)反(fan)應自(zi)己就停止(zhi)了，”David Byron解(jie)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(yu)很多沒有(you)核武器的(de)國家而言，由于(yu)核裂變(bian)技術(shu)的(de)出口管制，他們無法(fa)發展核能，但(dan)核聚變(bian)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(xu)要(yao)花幾(ji)代人(ren)來清理。“因此(ci)核聚變技術有望幫助更多國家擺脫貧困，” David Byron補充(chong)道(dao)。

人(ren)類距離用上核聚(ju)變(bian)能源還有多遠？

如果人(ren)類有一天能(neng)大規模應用核聚變作為能(neng)源(yuan)，無疑意味著地(di)球能(neng)源(yuan)結構翻天覆地(di)的(de)重構。此次核(he)聚變實現凈(jing)能量增益，讓我們離(li)這一天還有多(duo)遠呢？科學(xue)界認為，要(yao)用(yong)上核(he)聚變能，需要(yao)經歷實驗室點火和燃燒、聚變發電演示和商用發電三個(ge)階段，目前(qian)我們還處于第(di)一階段，而(er)且(qie)還有很多挑戰尚未(wei)解決。

“在協同(tong)的努力和投資(zi)之下，對底層技術再進行(xing)數十年的研究(jiu)，我們或許可以(yi)開始建造（核(he)聚(ju)變）發電廠，” LLNL實(shi)驗室的主任Kim Budil在發布會上(shang)預測，“還存在很(hen)多科學和(he)技術上(shang)的重大(da)挑戰。這次(ci)只是一次(ci)性點(dian)(dian)燃一個靶丸，要(yao)實(shi)現商用聚變能，需(xu)要(yao)達成(cheng)每分鐘非常(chang)非常(chang)多次(ci)的聚變點(dian)(dian)燃，而且還需(xu)要(yao)強大(da)的驅動系(xi)統才能實(shi)現。”

牛(niu)津大學(xue)(xue)物理(li)學(xue)(xue)教(jiao)授、LLNL實(shi)驗室核聚變項(xiang)目(mu)的咨詢專家(jia)Justin Wark對科學(xue)(xue)傳播(bo)組織SMC表示(shi)，LLNL實(shi)驗室理(li)論上可以每天重復(fu)一次類似的點燃成果，但(dan)核聚變電廠需要的是每秒鐘十次。

另一方面，凈(jing)增(zeng)益能(neng)(neng)(neng)量也需(xu)要大幅提高。劍橋大學核能(neng)(neng)(neng)講師Tony Roulstone對(dui)SMC表示，根據(ju)《金融時報》當時報道的(de)數(shu)據(ju)，實(shi)驗(yan)室為產生激光(guang)而投(tou)入(ru)了(le)500兆焦(jiao)的(de)能(neng)(neng)(neng)源，最終輸送到(dao)靶(ba)丸上的(de)能(neng)(neng)(neng)源才1.8兆焦(jiao)，雖然最后(hou)實(shi)現(xian)了(le)凈(jing)能(neng)(neng)(neng)量增(zeng)益（2.5兆焦(jiao)），但從整個過程來看，實際上產出只占投入的0.5%。從工程學(xue)的(de)(de)角度而言，最終需要產出的(de)(de)能(neng)量為投入激光組能(neng)量的(de)(de)兩倍才算達(da)到目標，因為從聚(ju)變熱能(neng)轉化為電(dian)力的(de)(de)過程中還(huan)會產生能(neng)量損失。

“因(yin)此可以(yi)說，國家(jia)點火(huo)設施(shi)的(de)(de)實驗(yan)結果是一(yi)項科學(xue)上的(de)(de)成功，但離提(ti)供可用(yong)的(de)(de)、充足的(de)(de)清潔能(neng)源還有很(hen)長(chang)一(yi)段(duan)路要走，” Tony Roulstone表示。

假如(ru)核聚變(bian)還(huan)需要數十年才能投入(ru)應(ying)用(yong)，那么它對于應(ying)對迫(po)在眉睫的氣候變(bian)化可能無法發(fa)揮重要作用(yong)。

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。”

First Light Fusion毫無(wu)疑問屬于樂觀派。首席財務官David Byron對《每日經(jing)濟新(xin)聞(wen)》記(ji)者(zhe)表示，公司(si)預計在2030年(nian)代早期(qi)到(dao)中期(qi)，就可以修建并入電網的核聚變電站試點項目(mu)，也就是(shi)說還有十年的時間。

這(zhe)一時間(jian)節點(dian)也是很多核聚變(bian)產業人(ren)士的(de)預測，不過核聚變(bian)的(de)布(bu)局時間(jian)線并不可(ke)靠(kao)。早在2012年(nian)，國家點(dian)火設施的(de)主管曾預測十年(nian)內聚變(bian)技術就能達到商業可(ke)行(xing)性，但現在這(zhe)個時間(jian)點(dian)已經(jing)差不多過去了。

First Light Fusion創(chuang)始人Nick Hawker對每經記者坦承，對于(yu)能(neng)源領域(yu)而言，本次實(shi)驗結果(guo)不會產生直接的影(ying)響，必須繼續投入風能(neng)、太陽能(neng)等可(ke)再生能(neng)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，這是核聚變發揮作用的地方，” Nick Hawker表示。

David Byron補充(chong)解釋說，我們(men)需(xu)要(yao)盡(jin)可(ke)能(neng)多的(de)風能(neng)和(he)太陽(yang)能(neng)，但由(you)于(yu)選址和(he)土地使用等因素(su)限制，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源無法完全(quan)滿足(zu)人(ren)類(lei)(lei)的(de)需(xu)求(qiu)。此外(wai)，受自然條件影響，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源還(huan)有間歇(xie)性(xing)的(de)問題，因此人(ren)類(lei)(lei)需(xu)要(yao)能(neng)24小時(shi)持續滿足(zu)電(dian)網系統最低電(dian)力需(xu)求(qiu)（基本負載電(dian)力）的(de)發電(dian)廠，這就是(shi)核能(neng)（包括(kuo)裂變和(he)聚變）發揮(hui)作用的(de)地方。由(you)于(yu)核聚變安全(quan)性(xing)更好，監(jian)管批準的(de)負擔比核裂變發電(dian)廠要(yao)小很多，因此未來將(jiang)發揮(hui)重要(yao)作用。

記者|李孟林

編輯|王月龍?高(gao)涵 杜波

校對|程鵬

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