歷經幾十年，可控核聚變的里程碑終於到來。
史上首次，人類實現了輸出能量大於輸入能量的可控核聚變。
這一過程被稱為「點火」（ignition）。
人類歷史上第一次意義重大的能源進步，是對火的控制和利用。
如今我們再次舉起火把，讓人造太陽不再是天方夜譚。
幾十年的里程碑，「人造太陽」的一大步
12 月 13 日，加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室宣佈，首次成功在核聚變反應中實現「淨能量增益」（即產生的能量超過了消耗的能量），在可控核聚變的道路上更進一步。
這些陌生的名詞可能讓人霧裏看花，先讓我們瞭解一下「可控核聚變」的概念。
核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，並釋放出能量的過程。
自然界中最容易實現的聚變反應是氫的同位素——氘與氚的聚變，這種反應在太陽上已經持續了 50 億年，恆星其實就是一個個的天然核聚變裝置。
▲ 圖片來自：istock
比起核裂變、焚燒化石燃料，核聚變有很多好處：
它不排放碳，不產生核裂變般的核輻射和核廢料；由於核聚變需要極高温度，一旦燃料温度下降，聚變反應就會自動中止；一小杯氫燃料，理論上可以為一所房子提供數百年的能源。
所以，聚變能是一種接近無限的、清潔的、安全的新能源。
▲ 聚變是宇宙的能量來源，發生在太陽和恆星的核心.
如果人類能夠以可控的方式，複製太陽的聚變反應，那會怎麼樣？
這種可控核聚變的願景，被俗稱為「人造太陽」。
可控核聚變的終極目標，是讓海水中大量存在的氘在高温條件下發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源，替代化石原料和常規核能，且資源耗損遠低於太陽能和風力發電。
▲ 聚變反應.
然而，太陽的核聚變靠自身引力提供的重力場約束，我們在地球上無法模仿，與此同時，太陽上的高温高壓為聚變反應創造了必要的條件，地球上的聚變反應需要用更高的温度補償。
相關研究從上世紀 50 年代就開始了，困擾科學家的地方在於，聚變反應消耗巨大的能量，如何讓產生的能量超過消耗的能量。難上加難的是，能量還得持續穩定地輸出，不能曇花一現。
12 月 5 日，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，通過「慣性約束聚變」技術，終於實現了「淨能量增益」的聚變反應，朝着人造太陽更近了一步。
研究人員將 192 束巨型激光射入一個橡皮擦長度的鍍金黑腔，強烈的能量將容器加熱到超過 300 萬攝氏度，容器內裝有胡椒粒大小的燃料顆粒。
▲ 激光的「靶子」很小，但是「靶室」很大.
激光不斷反射加熱，最終產生 X 射線。X 射線剝離了顆粒的表面，引發了類似火箭的內爆，將温度和壓力推向了只有在恆星、巨行星和核爆炸中才能實現的極端，內爆的速度達到每秒 400 公里，導致氘和氚聚變。
最終，在持續不到萬億分之一秒的瞬間，激光輸入的能量為 2.05 兆焦耳，聚變產生的中子的能量是 3.15 兆焦耳，後者除以前者，能量增益大於 1。
可持續電力，還在遙遠的未來
雖然「淨能量增益」的聚變反應已經實現，但想在實驗室環境之外實踐，甚至投入商用，仍然是路漫漫其修遠兮。
首先，「淨能量增益」只反映了聚變反應本身，為激光供電的 300 兆焦耳並沒有被計算進去。從電能到激光的轉換效率很低，如果計算輸出電能到輸入電能之比，能量增益小於 1。
其次，在能源生產所需的規模上重現這種聚變反應，需要大量的資源。
▲ 國家點火裝置（NIF），世界上最大和最高能量的激光器.
以及，將產生的能量部署到電網的機器，工程師們還沒有開發出來。
所以，核聚變距離商用至少還有十年，也可能是幾十年，發電廠更是遙遙無期。
目前，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的激光大約每天只發射一次，成本又極高，短時間不可能建立起一個可行的發電廠。
在新聞發佈會上，勞倫斯·利弗莫爾主任 Kim Budil 表示，發佈會代表的是一次聚變點火，但要實現商業核聚變發電，還需要做許多事，其中包括「每分鐘產生許多次核聚變點火」。
▲ 核聚變的藝術渲染圖.
類似地，核聚變也無法在短時間內投入氣候保護。
能源技術專家 Julio Friedmann 指出，現在取得的成果非常重要，如果不能實現輸出的能量大於輸入的能量，就無法成為能量的來源。但它在未來 20-30 年裏都不會對氣候減排做出有意義的貢獻，這就是點火柴和造燃氣輪機的區別。
要將升温限制在 1.5 攝氏度的「安全線」，我們必須在 2050 年前實現淨零排放。依靠核聚變擺脱氣候危機，是一個遙不可及的夢想。
羅切斯特大學教授、激光聚變專家 Riccardo Betti，將核聚變的這次突破，比作人類第一次知道如何將石油提煉成汽油：
「你仍然沒有引擎，你仍然沒有輪胎，你不能説你有車。」
人類邁出了一大步，但前面可能還有幾千幾萬步。
為了下一代清潔能源，全世界摩拳擦掌
在過去的幾十年裏，許多國家都在推進可控核聚變。
上文提到的慣性約束，是實現可控核聚變的兩大主流方案之一，另一個是磁約束。
事實上，磁約束是目前各國主攻可控核聚變的方向，「託卡馬克」裝置就是最著名的磁約束核聚變的方法。
託卡馬克是一種環形裝置，通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高温，並實現人類對聚變反應的控制。
▲《Iron Man》方舟反應堆就是可控核聚變.
《Iron Man》的方舟反應堆有些像託卡馬克，史塔克工業基地的方舟反應堆、Iron Man 戰甲胸口的迷你反應堆，都是「磁約束（核）聚變反應堆」。
儘管可控核聚變技術和託卡馬克裝置最早起源於國外，但我國已經實現了後來者居上，處於世界前沿。
建成於 2006 年的中國「人造太陽」EAST，全稱為「全超導託卡馬克核聚變實驗裝置」，又稱「東方超環」，由中國科學院等離子體物理研究所建在安徽合肥。
2021 年底，EAST 實現了 1056 秒的長脈衝高參數等離子體運行，其間電子温度近 7000 萬攝氏度，創下當時託卡馬克裝置高温等離子體運行的最長時間紀錄。
▲ EAST.
2020 年 12 月 4 日，由中核集團核工業西南物理研究院自主設計、建造的新一代「人造太陽」裝置（HL-2M）建成。
今年 10 月，HL-2M 取得了突破性進展——等離子體電流突破 100 萬安培（1 兆安）。
未來，託卡馬克聚變堆必須在兆安級電流下穩定運行，所以，這次突破也標誌着我國距離聚變點火越來越近。
▲ HL-2M.
「人造太陽」是世界極度關注的大科學問題，在下一代清潔能源面前，國與國是利益相關的合作伙伴關係，最具代表性的是 2006 年啓動的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目。
它是目前全球規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度等成員國參與其中，各國共同造出來的一顆「人造太陽」，是目前世界規模最大的核聚變反應堆，坐落在法國南部卡達拉舍。
ITER 本體的組裝工作預計於 2025 年結束，在接下來的幾年裏，ITER 的部件將從各個成員國運輸至卡拉達舍。我國作為平等成員方之一，承擔了 ITER 建設階段 9.09% 的工作，並享有 ITER 100% 的技術成果使用權。
▲ ITER 在 2018 年的建設狀況.
煤、石油、天然氣有枯竭的可能，並帶來環境污染；風能、水能、太陽能等受限於天氣或地理條件；核裂變所需要的鈾、鈈等元素儲量有限，還會產生放射性。
相比之下，可控核聚變技術，是被全人類寄予厚望的未來能源方式，有「終極能源」之稱，因為它幾乎能一勞永逸地解決能源問題。當它真正投入商用，除了氣候效益之外，還可以為貧困地區帶來廉價電力。
前景是美好的，道路是曲折的，希望在目之所及的未來，能夠見證「人造太陽」冉冉升起。
資料來源：愛範兒（ifanr）
史上首次，人類實現了輸出能量大於輸入能量的可控核聚變。
這一過程被稱為「點火」（ignition）。
人類歷史上第一次意義重大的能源進步，是對火的控制和利用。
如今我們再次舉起火把，讓人造太陽不再是天方夜譚。
幾十年的里程碑，「人造太陽」的一大步
12 月 13 日，加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室宣佈，首次成功在核聚變反應中實現「淨能量增益」（即產生的能量超過了消耗的能量），在可控核聚變的道路上更進一步。
這些陌生的名詞可能讓人霧裏看花，先讓我們瞭解一下「可控核聚變」的概念。
核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，並釋放出能量的過程。
自然界中最容易實現的聚變反應是氫的同位素——氘與氚的聚變，這種反應在太陽上已經持續了 50 億年，恆星其實就是一個個的天然核聚變裝置。
▲ 圖片來自：istock
比起核裂變、焚燒化石燃料，核聚變有很多好處：
它不排放碳，不產生核裂變般的核輻射和核廢料；由於核聚變需要極高温度，一旦燃料温度下降，聚變反應就會自動中止；一小杯氫燃料，理論上可以為一所房子提供數百年的能源。
所以，聚變能是一種接近無限的、清潔的、安全的新能源。
▲ 聚變是宇宙的能量來源，發生在太陽和恆星的核心.
如果人類能夠以可控的方式，複製太陽的聚變反應，那會怎麼樣？
這種可控核聚變的願景，被俗稱為「人造太陽」。
可控核聚變的終極目標，是讓海水中大量存在的氘在高温條件下發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源，替代化石原料和常規核能，且資源耗損遠低於太陽能和風力發電。
▲ 聚變反應.
然而，太陽的核聚變靠自身引力提供的重力場約束，我們在地球上無法模仿，與此同時，太陽上的高温高壓為聚變反應創造了必要的條件，地球上的聚變反應需要用更高的温度補償。
相關研究從上世紀 50 年代就開始了，困擾科學家的地方在於，聚變反應消耗巨大的能量，如何讓產生的能量超過消耗的能量。難上加難的是，能量還得持續穩定地輸出，不能曇花一現。
12 月 5 日，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，通過「慣性約束聚變」技術，終於實現了「淨能量增益」的聚變反應，朝着人造太陽更近了一步。
研究人員將 192 束巨型激光射入一個橡皮擦長度的鍍金黑腔，強烈的能量將容器加熱到超過 300 萬攝氏度，容器內裝有胡椒粒大小的燃料顆粒。
▲ 激光的「靶子」很小，但是「靶室」很大.
激光不斷反射加熱，最終產生 X 射線。X 射線剝離了顆粒的表面，引發了類似火箭的內爆，將温度和壓力推向了只有在恆星、巨行星和核爆炸中才能實現的極端，內爆的速度達到每秒 400 公里，導致氘和氚聚變。
最終，在持續不到萬億分之一秒的瞬間，激光輸入的能量為 2.05 兆焦耳，聚變產生的中子的能量是 3.15 兆焦耳，後者除以前者，能量增益大於 1。
可持續電力，還在遙遠的未來
雖然「淨能量增益」的聚變反應已經實現，但想在實驗室環境之外實踐，甚至投入商用，仍然是路漫漫其修遠兮。
首先，「淨能量增益」只反映了聚變反應本身，為激光供電的 300 兆焦耳並沒有被計算進去。從電能到激光的轉換效率很低，如果計算輸出電能到輸入電能之比，能量增益小於 1。
其次，在能源生產所需的規模上重現這種聚變反應，需要大量的資源。
▲ 國家點火裝置（NIF），世界上最大和最高能量的激光器.
以及，將產生的能量部署到電網的機器，工程師們還沒有開發出來。
所以，核聚變距離商用至少還有十年，也可能是幾十年，發電廠更是遙遙無期。
目前，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的激光大約每天只發射一次，成本又極高，短時間不可能建立起一個可行的發電廠。
在新聞發佈會上，勞倫斯·利弗莫爾主任 Kim Budil 表示，發佈會代表的是一次聚變點火，但要實現商業核聚變發電，還需要做許多事，其中包括「每分鐘產生許多次核聚變點火」。
▲ 核聚變的藝術渲染圖.
類似地，核聚變也無法在短時間內投入氣候保護。
能源技術專家 Julio Friedmann 指出，現在取得的成果非常重要，如果不能實現輸出的能量大於輸入的能量，就無法成為能量的來源。但它在未來 20-30 年裏都不會對氣候減排做出有意義的貢獻，這就是點火柴和造燃氣輪機的區別。
要將升温限制在 1.5 攝氏度的「安全線」，我們必須在 2050 年前實現淨零排放。依靠核聚變擺脱氣候危機，是一個遙不可及的夢想。
羅切斯特大學教授、激光聚變專家 Riccardo Betti，將核聚變的這次突破，比作人類第一次知道如何將石油提煉成汽油：
「你仍然沒有引擎，你仍然沒有輪胎，你不能説你有車。」
人類邁出了一大步，但前面可能還有幾千幾萬步。
為了下一代清潔能源，全世界摩拳擦掌
在過去的幾十年裏，許多國家都在推進可控核聚變。
上文提到的慣性約束，是實現可控核聚變的兩大主流方案之一，另一個是磁約束。
事實上，磁約束是目前各國主攻可控核聚變的方向，「託卡馬克」裝置就是最著名的磁約束核聚變的方法。
託卡馬克是一種環形裝置，通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高温，並實現人類對聚變反應的控制。
▲《Iron Man》方舟反應堆就是可控核聚變.
《Iron Man》的方舟反應堆有些像託卡馬克，史塔克工業基地的方舟反應堆、Iron Man 戰甲胸口的迷你反應堆，都是「磁約束（核）聚變反應堆」。
儘管可控核聚變技術和託卡馬克裝置最早起源於國外，但我國已經實現了後來者居上，處於世界前沿。
建成於 2006 年的中國「人造太陽」EAST，全稱為「全超導託卡馬克核聚變實驗裝置」，又稱「東方超環」，由中國科學院等離子體物理研究所建在安徽合肥。
2021 年底，EAST 實現了 1056 秒的長脈衝高參數等離子體運行，其間電子温度近 7000 萬攝氏度，創下當時託卡馬克裝置高温等離子體運行的最長時間紀錄。
▲ EAST.
2020 年 12 月 4 日，由中核集團核工業西南物理研究院自主設計、建造的新一代「人造太陽」裝置（HL-2M）建成。
今年 10 月，HL-2M 取得了突破性進展——等離子體電流突破 100 萬安培（1 兆安）。
未來，託卡馬克聚變堆必須在兆安級電流下穩定運行，所以，這次突破也標誌着我國距離聚變點火越來越近。
▲ HL-2M.
「人造太陽」是世界極度關注的大科學問題，在下一代清潔能源面前，國與國是利益相關的合作伙伴關係，最具代表性的是 2006 年啓動的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目。
它是目前全球規模最大、影響最深遠的國際大科學工程之一，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度等成員國參與其中，各國共同造出來的一顆「人造太陽」，是目前世界規模最大的核聚變反應堆，坐落在法國南部卡達拉舍。
ITER 本體的組裝工作預計於 2025 年結束，在接下來的幾年裏，ITER 的部件將從各個成員國運輸至卡拉達舍。我國作為平等成員方之一，承擔了 ITER 建設階段 9.09% 的工作，並享有 ITER 100% 的技術成果使用權。
▲ ITER 在 2018 年的建設狀況.
煤、石油、天然氣有枯竭的可能，並帶來環境污染；風能、水能、太陽能等受限於天氣或地理條件；核裂變所需要的鈾、鈈等元素儲量有限，還會產生放射性。
相比之下，可控核聚變技術，是被全人類寄予厚望的未來能源方式，有「終極能源」之稱，因為它幾乎能一勞永逸地解決能源問題。當它真正投入商用，除了氣候效益之外，還可以為貧困地區帶來廉價電力。
前景是美好的，道路是曲折的，希望在目之所及的未來，能夠見證「人造太陽」冉冉升起。
資料來源：愛範兒（ifanr）
請按此登錄後留言。未成為會員? 立即註冊