核聚变的艺术效果图

美国能源部当地时间12月13日宣布，其下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室科研人员首次在核聚变反应中实现了净能量增益，称这一“重大科学突破”将为国防及清洁能源未来发展奠定基础。据悉，这项历史上首次达到科学能量平衡的可控核聚变实验，科学家用了整整七十年才实现技术突破。

人类历史上首次可控核聚变实验

美国能源部在一份声明中说，12月5日，科研人员在劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”进行了人类历史上首次可控核聚变实验，意味着核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量。这一实验将为推动清洁能源发展提供宝贵见解，有助于实现零碳经济目标。

美国能源部新闻发布会现场

劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔博士表示：“在实验室中实现核聚变点火，是人类有史以来应对的最重要科学挑战之一。这次能够实现它，是我们在科学、在工程上的一次全人类的胜利。”

核聚变是太阳和恒星的能量来源。在这些星体核心的巨大热量和重力下，氢原子核相互碰撞，聚合成更重的氦原子，并在此过程中释放出大量能量。核聚变技术有望为人类提供近乎无限的清洁能源，帮助人类摆脱对化石燃料的依赖。

据美国能源部介绍，“国家点燃实验设施”是全球最大、能量最高的激光系统，其使用超强激光束来产生与恒星和巨型行星核心以及核武器内部相当的温度和压力。

推动核聚变商业化的快速发展

美国国家核安全管理局副局长马文·亚当斯介绍说，激光束将大量热量集中在一个微型球形胶囊上，结果是一个过热的等离子体环境，其中反应产生的能量比用于产生它的激光中所包含的能量多，约为1.5倍。

惯性约束核聚变(ICF)点火实验示意图（制图: 林泳希）

美国能源部称，此次核聚变实验中，“国家点燃实验设施”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，首次展示了惯性约束核聚变的最基本科学原理。

惯性约束核聚变是实现可控核聚变的两大主流方案之一（另一个是磁约束），该技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力，来引发核聚变反应。

技术人员使用升降机进入“国家点燃实验设施”内部进行检查和维护

美国能源部表示，要实现将方便、可负担的惯性约束核聚变技术应用于为家庭和企业发电的目标，仍需要进行大量先进的科学和技术实验。

美国能源部正在重启一项惯性约束核聚变发展计划，将与私营部门协调合作，推动核聚变商业化的快速发展。

关注

人类已攻克核聚变能？

“人造太阳”就要来了？

1.什么是核聚变，与核裂变有什么不同？

核聚变是为太阳和恒星提供能量的反应。这一过程涉及将两种氢同位素（通常是氘和氚）加热到极端温度，使原子核发生聚变，释放出氦和以中子形式存在的大量能量。

核聚变是为太阳和恒星提供能量的反应

一提到核能，人们就会想到冷却塔和蘑菇云。但是核聚变是完全不同的。核聚变将两个或两个以上的原子融合在一起，而裂变则相反，它把一个较大原子分裂成两个或多个较小的原子的过程。核裂变是当今世界各地为核反应堆提供动力的一种能源。和核聚变一样，原子分裂产生的热量也被用来产生能量。

虽然核裂变也是零排放的能源，但是它会产生挥发性放射性废物，必须安全储存，并存在安全风险。核熔毁虽然罕见，但在历史上也曾发生过，造成广泛而致命的后果，比如福岛和切尔诺贝利反应堆。

而核聚变过程不会产生长期存在的放射性废物，也不排放碳。科学家估计，一小杯这种燃料可以为一所房子提供800多年的电力。核聚变技术的支持者将其描述为清洁能源的“圣杯”，是一种理论上可以提供近乎无限、零碳能源的技术。

2.人类是否已经掌握了核聚变能？

还没有。几十年来，实现能量增益一直被视为证明商业核聚变电站可行的关键一步。然而，它仍有几个障碍需要克服。

首先，实验中到能量增益只是将产生的能量与激光器中的能量进行比较，而不是与从电网中提取出为系统供电的总能量进行比较。事实上，每次发射都需要330兆焦耳的电能，以400微秒的脉冲串形式传送。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”

而且，“国家点燃实验设施”为激光提供动力的系统已经很旧，也不是为了最大的能源效率而设计。科学家估计，商业核聚变将需要产生30到100倍输入能量的聚变反应。“国家点燃实验设施”每天最多只能发射一次，而一个使用惯性约束聚变技术的发电厂可能需要一秒钟完成几次发射。

“但是这个实验清楚地证明了激光聚变的物理学是有效的，”等离子体物理学家罗比·斯科特(Robbie Scott)表示，“下一步工作将包括展示更高的聚变能量增益，以及进一步开发更有效的方法来驱动内爆。”

因此，核聚变技术要想生产出无限量的清洁能源，还需要数年甚至数十年的时间。

3.和其他国家近期突破相比呢？

在NIF取得这一成就之前，过去18个月里，其他由公共资金资助的聚变实验室也宣布了重大成果，只是它们的研究目标略有不同。

中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)

据新华社报道，2021年5月28日凌晨，中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造了新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。这将此前创造的1亿摄氏度20秒原纪录延长了5倍，意味着向核聚变能源应用迈出重要一步。EAST也被称为中国“人造太阳”，是中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制的磁约束核聚变实验装置。

位于牛津的托卡马克核反应装置“欧洲联合环状反应炉”(JET)

去年12月，位于牛津的世界上最大、最强大的托卡马克核反应装置“欧洲联合环状反应炉”(JET)的研究人员在持续5秒的聚变反应中产生了创纪录的59兆焦耳能量。这足以烧开大约60个水壶，比JET在1997年创造的22兆焦耳的能量输出纪录增加了一倍多。

专家指出，上述两种核聚变反应都没有像“国家点燃实验设施”那样实现能量增益，但是它们在实验中并没有优先考虑实现能量增益。

采写：南都记者 史明磊 新华社 中新网 环球网

编辑：史明磊

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