重磅！美国宣布重大突破，“里程碑式的成就”！核聚变将将掀一场能源新革命

当地时间13日，美国能源部官员宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。

据悉，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

此外，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。

（央视新闻客户端）

核聚变技术取得“历史性突破”！

核聚变发电，距离现实还有多远？

还有哪些挑战？

当地时间12月13日，美国能源部宣布，美国科研人员在研究核聚变能源方面取得重大突破。据路透社援引消息人士称，位于加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科研人员在一次使用激光的核聚变实验中，首次实现了净能量增益。

自1958年科学家向世界公布核聚变研究以来，人类孜孜不倦地希望通过在地球上复制核聚变的过程，来获得几乎无限的清洁、安全和廉价的能源。而在此之前，科学家迟迟未能攻克第一道拦路虎：如何让核聚变产出的能量大于触发反应所投入的能量。

因此，在美国能源部证实美国科学家已经实现了核聚变产出大于投入的“净能量增益”后，立刻引发了科学界的轰动。在世界正面临化石能源导致的气候危机之下，坊间更有乐观的议论认为，一劳永逸地解决能源问题已经出现曙光。据美国能源部，实验产生的能量比投入的能量多50%以上。

科学家指出，此次实现的净能量增益是数十年来最重要的科学成果之一，是对核聚变原理的概念验证，但人类离用上核聚变能还有很长的路要走，能量增益的规模还需要大幅提高才能考虑转化为电力的事情。

英国核聚变公司First Light Fusion创始人Nick Hawker在采访中对《每日经济新闻》记者表示，这次实验结果对各国的能源转型政策短期内并无影响，核聚变并不是解决气候变化的灵丹妙****，但可以在未来的清洁能源结构中，扮演维持基本负载电力的重要角色。

当地时间12月13日，美国能源部官员宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，首次成功在核聚变反应中实现了净能量增益。据悉，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。

“这是过去二三十年来最大的科学成果之一，” 贝尔法斯特女王大学研究激光和等离子物理学的Gianluca Sarri表示。

要理解这项成就的重要性，就得知道实现增益的难度。据国际原子能机构，核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程，这一过程发生在一种叫作等离子体的物质状态中。在地球上，人类需要超过1亿摄氏度的温度和强大的压力，才能促成氘（重氢）和氚（超重氢）的混合物发生核聚变，而且还需要将等离子体和聚变反应保持足够长的时间，才能获得净能量增益。

图片来源：国际原子能机构

LLNL实验室采用了一种名为惯性约束聚变的路径。在发布会上，美国国家核安全局官员Marv Adams用简单的语言解释了该实验室“国家点火设施”的实验过程：规模相当于三个足球场的192个激光器组合，从两端向一个圆柱体****激光束，将能量注入，而圆柱体中一个仅有半个气枪BB弹大小的靶丸受到挤压，球内的氘氚聚变燃料被“点燃”，产生出能量。整个聚变过程发生速度极快，比光运动一英尺（2.54厘米）的时间还快。

国家点火设施实验过程 图片来源：美国能源部

国家点火设施此前已经多次重复了这一过程，最好的成绩是产出和投入能量比为70%，仍然是净能量损失。这一次的不同之处在于，聚变燃料的超高温、能量密度和维持的时间都达到了临界标准，最终达成了点燃的效果，产生出了更多的能量。

“这一结果是惯性约束聚变作为发电技术的分水岭时刻。长期以来，（激光冲击的）目标产生能量增益就是衡量成功的标准，它意味着核心的物理学原理已经被攻克，”英国核聚变公司First Light Fusion创始人Nick Hawker对《每日经济新闻》记者表示，“从这一结果到发电的物理学路径是非常清楚的，而且风险大大降低了。”

核聚变作为能源来源的优点十分突出。首先是极大的能量密度。据国际原子机构，核聚变产生的能量是核裂变（目前使用的核电技术）的四倍，理论上，只需要几克氘氚反应物，就有可能产生一万亿焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。其次，和核裂变一样，核聚变不会向大气中排放二氧化碳或其他温室气体。

First Light Fusion的首席财务官David Byron对《每日经济新闻》记者表示，作为能源生产方式，核聚变拥有核裂变的所有优点，同时又能避免后者的很多缺点。

“核聚变不会存在核反应堆融毁的情况，从本质上来说就很安全。简单来说，核裂变反应堆的功能是控制能量释放的速度，避免其失控；核聚变则相反，它需要创造聚变发生的条件，假如停止投入聚变燃料，或者没有合适的高温条件，聚变反应自己就停止了，”David Byron解释道。

此外，核聚变过程中不会出现制造武器级别的材料。对于很多没有核武器的国家而言，由于核裂变技术的出口管制，他们无法发展核能，但核聚变就不存在这个问题。核聚变也不会产生长时间的放射性核废料，不需要花几代人来清理。“因此核聚变技术有望帮助更多国家摆脱贫困，” David Byron补充道。

如果人类有一天能大规模应用核聚变作为能源，无疑意味着地球能源结构翻天覆地的重构。此次核聚变实现净能量增益，让我们离这一天还有多远呢？科学界认为，要用上核聚变能，需要经历实验室点火和燃烧、聚变发电演示和商用发电三个阶段，目前我们还处于第一阶段，而且还有很多挑战尚未解决。

“在协同的努力和投资之下，对底层技术再进行数十年的研究，我们或许可以开始建造（核聚变）发电厂，” LLNL实验室的主任Kim Budil在发布会上预测，“还存在很多科学和技术上的重大挑战。这次只是一次性点燃一个靶丸，要实现商用聚变能，需要达成每分钟非常非常多次的聚变点燃，而且还需要强大的驱动系统才能实现。”

牛津大学物理学教授、LLNL实验室核聚变项目的咨询专家Justin Wark对科学传播组织SMC表示，LLNL实验室理论上可以每天重复一次类似的点燃成果，但核聚变电厂需要的是每秒钟十次。

另一方面，净增益能量也需要大幅提高。剑桥大学核能讲师Tony Roulstone对SMC表示，根据《金融时报》当时报道的数据，实验室为产生激光而投入了500兆焦的能源，最终输送到靶丸上的能源才1.8兆焦，虽然最后实现了净能量增益（2.5兆焦），但从整个过程来看，实际上产出只占投入的0.5%。从工程学的角度而言，最终需要产出的能量为投入激光组能量的两倍才算达到目标，因为从聚变热能转化为电力的过程中还会产生能量损失。

“因此可以说，国家点火设施的实验结果是一项科学上的成功，但离提供可用的、充足的清洁能源还有很长一段路要走，” Tony Roulstone表示。

假如核聚变还需要数十年才能投入应用，那么它对于应对迫在眉睫的气候变化可能无法发挥重要作用。

科学倡导组织忧思科学家联盟（Union of Concerned Scientists）的核能安全主管Ed Lyman对政治新闻网Politico表示：“不是说要贬低他们的成就，但还是得谨慎看待。（核聚变）对于实现脱碳而言晚得不是一点点。我们需要在接下来的一二十年努力脱碳，而就算根据最乐观的预估，核聚变能也要2040年代才能出现。”

First Light Fusion毫无疑问属于乐观派。首席财务官David Byron对《每日经济新闻》记者表示，公司预计在2030年代早期到中期，就可以修建并入电网的核聚变电站试点项目，也就是说还有十年的时间。

这一时间节点也是很多核聚变产业人士的预测，不过核聚变的布局时间线并不可靠。早在2012年，国家点火设施的主管曾预测十年内聚变技术就能达到商业可行性，但现在这个时间点已经差不多过去了。

First Light Fusion创始人Nick Hawker对每经记者坦承，对于能源领域而言，本次实验结果不会产生直接的影响，必须继续投入风能、太阳能等可再生能源。“这不是解决气候变化的灵丹妙****，但是我们需要清洁的基本负载电力，这是核聚变发挥作用的地方，” Nick Hawker表示。

David Byron补充解释说，我们需要尽可能多的风能和太阳能，但由于选址和土地使用等因素限制，可再生能源无法完全满足人类的需求。此外，受自然条件影响，可再生能源还有间歇性的问题，因此人类需要能24小时持续满足电网系统最低电力需求（基本负载电力）的发电厂，这就是核能（包括裂变和聚变）发挥作用的地方。由于核聚变安全性更好，监管批准的负担比核裂变发电厂要小很多，因此未来将发挥重要作用。

（来源：每日经济新闻）

北京时间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1亿摄氏度的极高压力和温度，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****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。

（内容来源：新浪科技）