據(jù)報道，本周二美國能源部（DOE）宣布，研究人員在核聚變方面取得歷史性的突破，首次從一個實驗性核聚變反應(yīng)堆中實現(xiàn)了“凈能量增益”，這讓許多人對未來生成更多的清潔能源充滿了希望。

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這一突破是由美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）“國家點火裝置”（NIF）研究人員在12月5日取得的。對許多人來說，核聚變可能是一個新概念，但自20世紀(jì)40年代以來，科學(xué)家們就一直在研究它。

但是，研究人員卻面臨著一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：如何生產(chǎn)出更多的能量（高于所消耗的能量），這幾乎是一個不可逾越的挑戰(zhàn)，直至今日。

這一次，研究人員向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，最終產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，即產(chǎn)生的能量較輸入的能量高出50%多。這也是研究人員首次在實驗中取得有意義的能量增長。

什么是核聚變呢？

核聚變就是兩種較輕的元素結(jié)合在一起，形成較重的元素的過程。這與太陽提供能量的方式相同，即氫原子的質(zhì)子在核心以令人難以置信的高溫猛烈碰撞，融合在一起產(chǎn)生氦原子。

在地球上，核聚變是通過融合元素氘（重氫）和氚（超重氫）來實現(xiàn)的。氘的含量非常豐富，可以在水中找到，尤其是海洋中；而氚的含量較低，主要存在于我們的大氣中，是宇宙輻射的結(jié)果。此外，氚也可以在核爆炸中產(chǎn)生，是核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品。

太陽的巨大引力使它能夠聚變氫原子，但要在地球上創(chuàng)造聚變，科學(xué)家需要施加大約1億攝氏度的極高壓力和溫度，即比太陽核心溫度高10倍。

雖然有不同的方法來嘗試產(chǎn)生核聚變，但勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）“國家點火裝置”（NIF）的研究人員使用了192束激光，聚焦在一個圓柱體的內(nèi)壁上，該圓柱體內(nèi)有一個非常小的“膠囊”裝置，里面裝著聚變?nèi)剂希弘碗?。?dāng)激光射向目標(biāo)時，它們會產(chǎn)生X射線，然后擠壓燃料，在極短的時間內(nèi)蒸發(fā)“膠囊”裝置，所產(chǎn)生的沖擊波會粉碎氫原子，使它們?nèi)诤喜⑨尫拍芰俊?/p>

雖然此次產(chǎn)生的能量很小，大約3兆焦耳（足夠給一個燈泡供電），但它標(biāo)志著核聚變能源的歷史性首次，因為激光只發(fā)射了略高于2兆焦耳的能量，即產(chǎn)生的能量，較輸入的能量高出50%多。

它與現(xiàn)有核能有什么不同？

談及核能，許多人可能會想到我們今天擁有的核反應(yīng)堆。但不同的是，這些反應(yīng)堆使用的是“核裂變”。裂變與聚變正好相反，聚變迫使原子聚集在一起，而核反應(yīng)堆（裂變）通過分離重原子來產(chǎn)生能量。

核聚變還能產(chǎn)生清潔能源。與核反應(yīng)堆不同，這一過程不會產(chǎn)生副產(chǎn)品，如核電廠中發(fā)現(xiàn)的乏燃料棒（spent rod）。

另外，與裂變不同，核聚變不會發(fā)生核熔毀現(xiàn)象，也不能用來制造核武器。國際原子能機構(gòu)（IAEA）還解釋說，雖然氫彈確實使用聚變反應(yīng)，但需要第二顆裂變炸彈來引爆它。

為什么說核聚變很重要？

當(dāng)前，地球正面臨著幾個世紀(jì)以來燃燒化石燃料造成的氣候危機。其結(jié)果是，洪水、干旱、海平面上升等現(xiàn)象將會加劇。我們已經(jīng)看到這種情況正在發(fā)生，地球變得越暖，這些災(zāi)難就會變得越嚴(yán)重。

如今，地球已經(jīng)變暖了大約1.2攝氏度。根據(jù)2015年《巴黎氣候協(xié)議》設(shè)定的目標(biāo)，我們要在本世紀(jì)末將其控制在1.5攝氏度以內(nèi)，這樣才能使與氣候相關(guān)的災(zāi)難減少。因此，科學(xué)家和工程師一直在努力開發(fā)具有成本效益的清潔能源。

這就是核聚變的用武之地。它不會產(chǎn)生有害的二氧化碳或甲烷，而且效率很高。根據(jù)國際原子能機構(gòu)（IAEA）的說法，聚變每公斤燃料產(chǎn)生的能量是裂變的四倍，是燃燒石油或煤炭的近400萬倍。

美國能源部長詹妮弗?格蘭霍姆（Jennifer Granholm）周二在一份聲明中表示：“這是一項里程碑式的成就，讓我們更接近于擁有豐富的零碳聚變能源，從而幫助人們解決人類最復(fù)雜和最緊迫的一些問題，包括提供清潔能源來應(yīng)對氣候變化。”

何時才能用聚變作為能源呢？

雖然這是歷史性的第一次，但這并不意味著我們已經(jīng)準(zhǔn)備好大規(guī)模生產(chǎn)能源。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）負(fù)責(zé)人金?布迪爾（Kim Budil）稱這一成就是人類有史以來解決的最重大的科學(xué)挑戰(zhàn)之一。但是，到目前為止，無論是在科學(xué)上還是技術(shù)方面，都存在著不小的障礙。

布迪爾說：“這只是一次實驗成果，要實現(xiàn)商業(yè)聚變能源，必須要持續(xù)產(chǎn)生這樣的結(jié)果，必須要有一個強大的驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)這一點”。她還補充說，盡管不需要一些科學(xué)家之前預(yù)期的那么長的時間，但至少需要幾十年的時間才能開發(fā)出足夠的基礎(chǔ)技術(shù)來建造一座核聚變電站。

除了美國，還有其他一些國家在研究核聚變。在法國，有一個多方合作的國際熱核實驗反應(yīng)堆（ITER），這是一個重2.3萬噸、高近30米的大型核聚變反應(yīng)堆，計劃在大約10年后開始運營。

在加拿大，General Fusion等私營公司也在研究相關(guān)技術(shù)。此外，中國、英國和德國的一些民營企業(yè)在致力于聚變方面的研究。

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