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erciyuandongmanyouxifenggeqingqingsongsonglingquhongbao：meiyicijinxingzhandoudeshihouwanjiayaozhuyihaozijidexueliang；gaoxiaokuaijie：baojiajiedanyimuleran，dingdanxinxixiangxi。keyishiyongdaliangdewuqu，rangwanhuiyoulehuanledeqifen，yeranghuodongxianchanggengjiajingcai。今(jin)晚(wan)，見(jian)證(zheng)歷(li)史(shi)！人(ren)類(lei)或(huo)首(shou)次(ci)實(shi)現(xian)，可(ke)控(kong)核(he)聚(ju)變(bian)「重(zhong)大(da)科(ke)學(xue)突(tu)破(po)」

新(xin)智(zhi)元(yuan)報(bao)道(dao)

編(bian)輯(ji)：编辑部(bu)

【新智元導(dao)讀(du)】美(mei)國(guo)LLNL实驗(yan)室(shi)首次实现核聚变反(fan)應(ying)的(de)凈(jing)能(neng)量(liang)增(zeng)益(yi)，「人造(zao)太(tai)陽(yang)」或將(jiang)成(cheng)真(zhen)了(le)。

爆(bao)炸(zha)性(xing)消(xiao)息(xi)！史上(shang)首次，人类实现了核聚变反应的净能量增益。

净功(gong)率(lv)增益，即(ji)產(chan)生(sheng)的聚变功率與(yu)用(yong)於(yu)加(jia)熱(re)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的功率之(zhi)比(bi)率。

美国勞(lao)倫(lun)斯(si)利(li)弗(fu)莫(mo)爾(er)国家(jia)实验室（LLNL），從(cong)壹(yi)個(ge)实验性核聚变反应堆(dui)中(zhong)，讓(rang)核聚变反应产生的能量多(duo)于了這(zhe)一過(guo)程(cheng)中消耗(hao)的能量。

这就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)，人类朝(chao)人造太阳的目(mu)標(biao)，又(you)近(jin)了一步(bu)。

而(er)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)和(he)傳(chuan)統(tong)核能，或将退(tui)出(chu)历史的舞(wu)臺(tai)！

核聚变反应净能量增益，意味着什(shen)麽(me)

「核聚变」究(jiu)竟(jing)是(shi)什么呢(ne)？

簡(jian)單(dan)地(di)說(shuo)，就是兩(liang)个輕(qing)原(yuan)子核結(jie)合(he)成一个較(jiao)重的原子核，並(bing)釋(shi)放(fang)出巨(ju)大能量的过程。

我(wo)們(men)都(dou)知(zhi)道，萬(wan)物(wu)生長(chang)靠(kao)太阳，太阳是地球(qiu)上一切(qie)生命(ming)的源(yuan)泉(quan)，那(na)太阳的能量來(lai)自(zi)于哪(na)裏(li)呢？

就是核聚变。

在(zai)这个热核反应中，两个氫(qing)原子碰(peng)撞(zhuang)并聚合成氦(hai)原子，氦的質(zhi)量比原来的氢原子略(lve)小(xiao)。

因(yin)此(ci)，根(gen)據(ju)愛(ai)因斯坦(tan)标誌(zhi)性的E=mc2质能方(fang)程，这个质量差(cha)會(hui)轉(zhuan)化為(wei)能量爆發(fa)出来。

在太阳的核心(xin)，每(mei)秒(miao)都在发生6.2億(yi)噸(dun)氢的核聚变

这種(zhong)能量，使(shi)我们人类得(de)以(yi)生存(cun)。

理(li)論(lun)上，只(zhi)要(yao)有(you)幾(ji)克(ke)氘(dao)（重氢）和氚(chuan)（超(chao)重氢）的混(hun)合反应物，就有可能产生一太（万亿）焦(jiao)耳(er)的能量，这大約(yue)是发達(da)国家的一个人60年(nian)內(nei)所(suo)需(xu)的能量。

既(ji)然(ran)核聚变能产生如(ru)此大的能量，那我们人类能不(bu)能自己(ji)DIY这个过程，造出个「人造太阳」？

沒(mei)錯(cuo)，科学家们早(zao)就開(kai)始(shi)这么想(xiang)了。

自从人类开啟(qi)了和平(ping)利用核能的研(yan)究，如何(he)在可控的條(tiao)件(jian)下(xia)利用核聚变反应产生的能量，一直(zhi)是人类的終(zhong)極(ji)目标（而目前(qian)的核電(dian)站(zhan)，原理是核裂(lie)变反应）。

但(dan)是，利用核聚变最(zui)大的難(nan)題(ti)之一是，核聚变过程本(ben)身(shen)也(ye)会消耗巨大的能量，該(gai)如何让核聚变反应释放出的能量大于輸(shu)入(ru)的能量，而且(qie)让这个过程可持(chi)續(xu)呢？

从上世(shi)紀(ji)50年代(dai)以来，無(wu)數(shu)的物理学家就一直希(xi)望(wang)从核聚变反应中产生比消耗更(geng)多的能量。

如果(guo)攻(gong)克了这个最大的难题，人类将有可能史上首次獲(huo)取(qu)海(hai)量无碳(tan)清(qing)潔(jie)能源，徹(che)底(di)改(gai)变未(wei)来的能源路(lu)線(xian)圖(tu)。

也就是说，到(dao)了那時(shi)，就不再(zai)有煤(mei)和石油(you)燃燒(shao)产生的溫(wen)室氣(qi)体，不再有危(wei)險(xian)、长效(xiao)的放射(she)性廢(fei)物——人类将得到真正(zheng)意義(yi)上的「清洁能源」！

而现在看(kan)起(qi)来，这个难题的第(di)一步已(yi)經(jing)被(bei)解(jie)決(jue)了。

据英(ying)国《金(jin)融(rong)时报》报道，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）从一个实验性核聚变反应堆中实现了「净能量增益」，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。

据消息人士(shi)透(tou)露(lu)，这次反应产生的能量是消耗能量的120%，至(zhi)少(shao)有两名(ming)研究人員(yuan)证实了这一消息。

一位(wei)資(zi)深(shen)核聚变科学家對(dui)《華(hua)盛(sheng)頓(dun)郵(you)报》表(biao)示(shi)：「对我们大多数人来说，这只是一个时間(jian)問(wen)题。」

此次核聚变反应产生了大约2.5兆(zhao)焦耳的能量，大约是激(ji)光(guang)器(qi)中2.1兆焦耳能量的120%，目前具(ju)体数据仍(reng)在進(jin)一步分(fen)析(xi)中。

美国能源部和LLNL发言(yan)人均(jun)表示，目前无法(fa)評(ping)论《金融时报》的报道，不过美国能源部长Jennifer Granholm表示，将在今天(tian)晚些(xie)时候(hou)宣(xuan)布(bu)一項(xiang)「重大科学突破」。

核聚变專(zhuan)家亞(ya)瑟(se)·特(te)瑞(rui)尔（Arthur Turrell）博(bo)士表示，「如果这个结果得到最终证实，我们将见证一个历史性的时刻(ke)。」

四(si)次復(fu)现全(quan)部失(shi)敗(bai)，人类科技(ji)被智子鎖(suo)死(si)？

其(qi)实，之前的科学家们，就曾(zeng)见证过这一奇(qi)跡(ji)。

2021年8月(yue)，LLNL曾宣布了一项重大突破：破纪錄(lu)地产生了超过10万亿瓦(wa)的高(gao)能聚变能量——雖(sui)然时长只有一秒不到。

裝(zhuang)置(zhi)将最初(chu)的光子脈(mai)沖(chong)放大并分成192道紫(zi)外(wai)线激光束(shu)後(hou)，在不到40亿分之一秒的时间内以大约1.9兆焦耳的能量擊(ji)中目标（装着冷(leng)凍(dong)的氘和氚），創(chuang)造出只有在恒(heng)星(xing)和热核彈(dan)中才(cai)能见到的温度(du)和壓(ya)力(li)。

面(mian)对如此強(qiang)大的脉冲能量，原子核会因核聚变释放出一連(lian)串(chuan)的粒(li)子，并由(you)此产生更多的聚变和更多的粒子，从而形(xing)成持续的聚变反应。

根据定(ding)义，當(dang)聚变反应产生的能量超过其消耗的能量时，就能成功「點(dian)火(huo)」。

而在8月的試(shi)验中，通(tong)过核聚变反应产生的能量，已经占(zhan)到了输入能量的70%，可以说非(fei)常(chang)接(jie)近点火了。

然而，在接下来进行(xing)的4次试验中，都未能复现当时的结果。

其中效果最好(hao)的一次，也只达到了8月份(fen)实验所产生能量的50%。

对此，研究人员分析認(ren)为，由于目前正處(chu)于聚变「点火」的臨(lin)界(jie)点附(fu)近，所以不同(tong)实验间微(wei)小、偶(ou)然的差異(yi)都会对结果造成巨大影(ying)響(xiang)。

从重复实验的失败中不难看出，研究人员在很(hen)长一段(duan)时间内，仍然无法精(jing)準(zhun)理解、操(cao)縱(zong)和預(yu)測(ce)这类高能实验。

甚(shen)至知友(you)「氯(lv)甲(jia)烷(wan)」調(tiao)侃(kan)稱(cheng)：「我覺(jiao)得人类科技可能真的被智子锁死了」。

复刻核聚变为何如此之难？

为什么人类想要复刻核聚变，会这么难呢？

这就要从核聚变反应的条件说起。

核聚变反应发生在一种叫(jiao)作(zuo)等离子体的物质狀(zhuang)態(tai)中。

等离子体是一种由正离子和自由移(yi)動(dong)的电子組(zu)成的高温帶(dai)电气体，具有不同于固(gu)体、液(ye)体和气体的獨(du)特性质。

从左(zuo)至右(you)：固体，液体，气体，等离子体

为了实现聚变，原子核需要在超过1000万攝(she)氏(shi)度的极高温度下相(xiang)互(hu)碰撞，以使它(ta)们能夠(gou)克服(fu)相互间的电排(pai)斥(chi)力。

一旦(dan)原子核克服了这种排斥力，并进入彼(bi)此非常接近的範(fan)圍(wei)，它们之间的核力吸(xi)引(yin)力将超过电排斥力，从而使它们能够实现聚变。

要做(zuo)到这一点，眾(zhong)多原子核必(bi)須(xu)被约束在一个小空(kong)间内，以增加碰撞的機(ji)会。

在太阳中，存在巨大的引力，而这种引力所产生的极端(duan)压力，正为核聚变的发生创造了条件。

在太阳内部，氢原子被加热到等离子体状态，电子不再围繞(rao)质子旋(xuan)转，然后释放的原子核聚变形成氦原子和中子，释放出巨大能量

然而，太阳中有着能够誘(you)发核聚变的巨大引力，我们人类卻(que)没有这樣(yang)的自然条件。

在地球上，要想使氘和氚发生聚变，就需要超过1亿摄氏度的温度和强大的压力，還(hai)需要充(chong)分的约束，才能使等离子体和聚变反应保(bao)持足(zu)够长的时间。

现在，我们人类的实验中已经非常接近核聚变反应堆所需的条件，但仍需改进约束性能和等离子体的穩(wen)定性。

来自50多个国家的科学家们，在不斷(duan)试验新材(cai)料，設(she)計(ji)新技術(shu)。

不过，就像(xiang)我们在上文(wen)所看到的，許(xu)多实验已实现聚变，但并未实现净功率增益。

而这次突破，是否(fou)意味着我们就要用上純(chun)粹(cui)的清洁能源了呢？其实并没有。

首先(xian)，即使单纯从数据上看，120%的能量净增比例(li)仍然是遠(yuan)远不够的。据科学家估(gu)计，如果要将核聚变技术落(luo)地实用，能量输出必须至少比进入的激光器的能量高出几倍(bei)才有可能。

而且，这次实验中的NIF的激光器效率极低(di)，也就是说，实验中供(gong)給(gei)激光器的能量中，只有很小一部分实際(ji)进入了激光束中，实际參(can)与了激发核聚变的反应中，大部分能量都被浪(lang)費(fei)掉(diao)了。

按(an)照(zhao)这种转換(huan)效率，即使未来的激光器（比如固态激光器）能够进一步提(ti)升(sheng)转换效率，但距(ju)离100%的核聚变应用，仍然是很遙(yao)远的事(shi)情(qing)。

但是至少，我们实现了从0到1的一步。

我国新一代「人造太阳」再次取得进展(zhan)

建(jian)人造太阳的，不止(zhi)是美国的科学家。

早在20世纪50年代，我国也开始了可控核聚变的研究。

与LLNL采(cai)用的「慣(guan)性约束聚变」方法不同，迄(qi)今为止大多数核聚变研究都采用名为「托(tuo)卡(ka)馬(ma)克」的圓(yuan)環(huan)形反应堆。

它的原理是：在反应堆内，将氢气加热到足够高的温度，让电子从氢原子核中剝(bo)离，形成等离子体（带正电的核和带負(fu)电的电子雲(yun)）。磁(ci)場(chang)将等离子体困(kun)在圆环形状的装置内，将原子核融合在一起，以中子的形式(shi)释放出能量向(xiang)外飛(fei)去(qu)。

2020年12月4日(ri)，由中核集(ji)團(tuan)核工(gong)業(ye)西(xi)南(nan)物理研究院(yuan)自主(zhu)设计、建造的新一代「人造太阳」建成并实现了首次放电。

2022年10月，相關(guan)研究再次取得重大进展——HL-2M等离子体电流(liu)突破100万安(an)培(pei)（1兆安）。

这不僅(jin)创造了我国可控核聚变装置運(yun)行新纪录，也标志着我国核聚变研发距离聚变点火邁(mai)进了重要一步。

HL-2M是我国目前規(gui)模(mo)最大、参数最高的托卡马克装置。

其核心参数是等离子体电流强度，而等离子体电流达到100万安培（1兆安）是其实现聚变能源的必要条件，未来托卡马克聚变堆必须在兆安級(ji)电流下稳定运行。

此次突破意味着该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行，这对我国自主设计运行聚变堆具有重要意义。

總(zong)结一下

据悉(xi)，对于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的这次实验的重大公(gong)告(gao)，美国能源部预计将在美国太平洋(yang)时间周(zhou)二(er)上午(wu)7点，也就是北(bei)京(jing)时间的今晚23点左右进行直播(bo)。

人类历史会被永(yong)远改变嗎(ma)？十(shi)小时后见分曉(xiao)！

参考(kao)资料：

https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7

https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2022/12/12/nuclear-fusion-breakthrough-benefits/

https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1

https://www.163.com/dy/article/HF5BLDSD0511F2M4.html返(fan)回(hui)搜(sou)狐(hu)，查(zha)看更多

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