文 | 武魏楠

12月13日，美國加利福尼亞勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室宣布，在該實驗室一次核聚變實驗中，核聚變反應產生的能量超過所消耗的能量。這無疑是核聚變研究歷史上最具突破性的進展。

人類歷史第一次

與核裂變不同，核聚變是將兩個源自融合的一種核反應形式，在這一過程中會釋放出巨大的能量。最為人們所熟知的核聚變技術就是太陽，因此可控核聚變技術也被稱為“人造太陽”。

1940年代，隨著曼哈頓計劃的開展，核聚變研究也開始逐步推進。目前人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。如果想要有效利用核聚變的能量，人類還必須掌握可控核聚變技術。

但長期以來聚變反應總是無法實現凈能量增加，即消耗能量總是超過反應產生的能量。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室此次成功的核聚變實驗，是人類歷史上第一次實現凈能量核聚變反應。

白宮科學顧問阿拉蒂·普拉巴卡爾 (Arati Prabhakar) 周二上午在美國能源部舉行的新聞發布會上說：“這是實現可能性、實現科學里程碑以及通往清潔能源可能性之路的絕佳例子。”

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的研究人員將多達192束巨型激光發射到一個稱為 hohlraum的厘米長金圓柱體中。強烈的能量將容器加熱到超過300萬攝氏度——比太陽表面還熱——并在X射線下照射內部胡椒粒大小的燃料顆粒。

X射線剝離了顆粒的表面并引發了類似火箭的內爆，將溫度和壓力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能看到的極端。內爆達到每秒400公里的速度，導致氘和氚聚變。

根據愛因斯坦方程E=mc2，每對融合的氫原子核都會產生一個較輕的氦原子核和能量爆發。氘很容易從海水中提取，而氚可以從地殼中的鋰中提取。

在最新的實驗中，研究人員輸入了2.05兆焦耳的激光能量，輸出了大約3.15兆焦耳——大約增加了50%，這表明顆粒中的聚變反應正在推動進一步的聚變反應。美國國家核安全管理局的Marvin Adams博士說：“產生能量所花費的時間比光傳播一英寸所花費的時間還少?！?/p>

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室是實現核聚變的裝置被成為國家點火裝置。該裝置1997年開始建設，2009年開始運營。直到2014年才第一次實現微弱的能量輸出——大約相當于60瓦燈泡亮了5分鐘的能量。

今年9月，國家點火裝置進行了第一次2.05兆焦耳的激光發射，產生了1.2兆焦耳的聚變能量。在經過調整后，實現了凈能量輸出。

遙遠的商業應用

然而這次“重大突破”并不能意味著核聚變技術很快能運用到發電等實際領域。

首先，所謂的凈能量的增加實際上并沒有考慮到為激光器供電所需要的300兆焦耳能量。如果考慮到這部分能量，那么核聚變距離凈能量輸出還有很大的差距。

其次，實驗室里的相關設備價格昂貴，發電成本可能是現有發電技術的成百上千倍。而且國家點火裝置有一個體育場那么大，完全無法進行商業化開發。最后，核聚變所產生的能量如何轉化為電能，實際上也沒有進行相關實踐和研究。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室主任金布迪爾博士說，只要有足夠的投資，“幾十年的研究就可以讓我們有能力建造一座發電廠?！?/p>

麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）核科學與工程教授伊恩·H·哈欽森則認為，勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室的突破更多地代表了科學實證，該實驗室研究的目標是了解核聚變而并非將其實際應用。

“從某種意義上說，一切都在改變；另一方面，一切都沒有改變，”牛津大學物理學教授兼牛津高能密度科學中心主任賈斯汀·沃克說。“這個結果證明了大多數物理學家一直相信的——在實驗室中聚變是可能的。然而，制造像商業反應堆這樣的東西需要克服的障礙是巨大的，絕不能低估?！?/p>

相比于存在潛在風險的核裂變技術，科學家們認為核聚變技術是更可行的未來能源解決方案。

與使用鈾和钚等高濃縮放射性物質作為燃料的裂變反應堆不同，聚變反應堆理論上可以由氫作為燃料，氫是宇宙中最豐富的元素；這意味著聚變反應堆的燃料供應基本上是無限的。

此外，與裂變反應堆不同，聚變反應堆不會產生高放射性廢料，因此無需安全儲存這些危險的材料。在某些情況下，放射性材料甚至會在數千年里持續具有危險性。

再者，盡管發生聚變需要極端的條件，但聚變反應堆被認為比裂變反應堆更安全；裂變反應堆必須不斷地監測，以避免導致不穩定和爆炸的條件。

目前全球核聚變研究有兩種主要的技術路線。第一種方法是通過磁約束進行核聚變。在一個巨大的反應堆中，輕氫原子（氘和氚）被加熱。然后材料處于等離子體狀態，是一種密度很低的氣體。它是通過磁場控制的，在磁鐵的幫助下獲得。

第二種方法是慣性約束，這也正是此次實現突破的技術路線。高能量的激光被送入一個頂針大裝有氫氣的圓筒內，即被稱為托卡馬克的環形反應堆。在反應堆內，氫氣被加熱到足夠高的溫度，以至于電子從氫原子核中剝離出來，形成所謂的等離子體——帶正電的原子核和帶負電的電子組成的云。磁場將等離子體困在圓圈內，原子核聚變在一起，以中子的形式釋放能量向外飛。