核聚变重大突破！人类首次实现输出能量超过输入

alex 2022-12-14 13:33:27 来源：量子位

Alex 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

物理界的Breaking News来了！

科学家首次在聚变反应中，实现了净能量增益——也就是说，聚变反应产生的能量，比注入的能量还多。

当地时间周二上午7点，美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），共同官宣了这一里程碑式的成果。

现在，美国能源部官方账号的相关消息已经收获了4万+点赞和1.4万转发。

其实在美国能源部开直播前，就已有风声传出，然后迅速引来大波关注，在知乎上也引起了热议。

陈怡然教授还评价称：

这是个影响全人类的大新闻，让大家离人造太阳迈进了一大步。

说到“人造太阳”，实际从上世纪50年代起，科学家就开始想着试图模仿太阳产生能量的“套路”，即氢核聚变。

然鹅…核聚变过程本身也会消耗巨大的能量，我们却没有太阳那样巨大的引力。

迄今为止，没有任何其他研究者在核聚变反应中获得了净能量增益。

而就在12月5日，LLNL的一次新实验，却终于书写了历史的新篇章：

官方数据显示，LLNL这次输入的能量为2.05兆焦耳（MJ），在核聚变反应后的输出能量约为3.15兆焦耳。

也就是说，能量增益高达约150%。

怎么做到的？

据知情人士透露，LLNL的研究人员采用了一种名为惯性约束核聚变 （Inertial Confinement Fusion）的工艺。

所谓“惯性”，简单来说，就是在极短时间内对聚变反应中形成的等离子体增温增压，利用内部原子核自身的惯性，让它们在向四周膨胀逸散之前就克服彼此之间静电斥力，完成融合。

对了~关于什么是“惯性约束核聚变”，想要深入了解的友友们可以去看看量子位之前专门做的一期视频。【https://www.bilibili.com/video/BV1KB4y1i7q2/】

话说回来，现在的一大主流加热方式就是激光，在光束加热作用下，颗粒等目标容器会向外爆炸。

在爆炸过程中，除了容器表层，其余部分会产生反作用力，使其向内加速并压缩里面的燃料。

另外，这个过程还会产生大量冲击波，压缩并加热中心的燃料，从而促使核聚变发生。

目前，世界最强大的激光点火装置，是美国的国家点火设施（National Ignition Facility，NIF），已耗资约35亿美元（约合人民币244亿元）。

而本次实验用到的激光装置，正是NIF。

研究人员用多达192道的激光束，照射处于辐射平衡态的空腔（hohlraum），也就是包裹着氘和氚，针头大小的球状颗粒。

通过激光作用，氘和氚的混合物形成了超热氢等离子体。

另外，在反应过程中，产生的X射线炸开了原来的粒子，燃料层内爆，为核聚变的发生创造了条件。

最终在NIF的加持下，这次实验产生了足够多的热量，并且这些热量在燃料中传播足够快，使得输出的能量超过了输入。

△图源：美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室

简单来说，原料部分质量转化成了能量——这个符合质能守恒定律，可以参考爱因斯坦提出的经典质能方程：E=mc²。

意味着什么？

要讲清楚这个问题，还得从什么是核聚变说起。

简单来说，核聚变是指由两个较轻的原子核，合成一个较重的原子核。

而核裂变则是指由一个重的原子核分裂成两个或多个较小的原子。

提到“核裂变”、“核聚变”，大伙儿一般会想到原子弹和氢弹。

其实除此之外，核裂变还已经被用来发电——听说过核电站吧？

在核电站中，利用核裂变反应产生的热量来加热水，然后水蒸汽会推动汽轮机，进而驱动发电机发电。不过，核裂变会产生大量辐射，放射性核废料的处理也一直让人头疼。

相比起来，核聚变反应几乎没有碳排放，产生的长效放射性废料也烧的多。从理论上讲，一小杯氢燃料就足以给一栋房子供电数百年。

还有，核聚变燃料储备量极为丰富——其主要燃料是氢的同位氘和氚。

之前的研究表明，海洋含有数亿吨的氘，如果当核聚变发电成真，仅一升的海水，就能产生相当于300升汽油的能量。

而氚虽然本身比较罕见，但能通过自然界中极为丰富的锂元素来反应获得，比较容易操作。

总而言之，核聚变供能具有特别香的BUFF：既清洁又几乎取之不尽。

对于LLNL的这项成果，英国国家统计局副局长Arthur Turrell感慨道：

这让科学家们几十年来的梦想终于成真了。

人们苦苦研究无碳清洁能源已有多时，该成果对于未来开发核聚变供能，有着重大意义。

一位科研工作者也表示：

这至少让我们能知道，人工可控核聚变增益大于一（Q>1）是件可以做成的事情。

虽然目前这项成果离商业化落地还相距甚远：真的有应用意义，至少Q要达到10以上；不过这仍然是一件振奋人心的事。

△图源：知乎@Quantum1024

还有网友甚至估算了核聚变发电商用时间：

如果速度能像之前核聚变领域其他实验那样，预计在2050左右就真的可以落地了。

△图源：知乎@树树

另外，据Nature报道，国际核聚变项目ITER的负责人Time Luce表示：

像这样有影响力的成果，还能吸引人们对各种类型的核聚变产生更多兴趣，投入更多精力去探索，对一般的核聚变研究也会产生积极影响。

最后，大胆开下脑洞——

如果核聚变供能真的成功商业化落地，那未来的核能汽车，是不是加一次燃料就可以用一辈子了？

参考链接：
[1]https://www.youtube.com/watch?v=Eke5PawU7rE
[2]https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7
[4]https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/index.html
[5]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7?shareType=nongift
[6]https://www.theverge.com/2022/12/12/23505416/nuclear-fusion-scientific-breakthrough-how-to-watch-announcement-biden
[7]https://www.zhihu.com/question/571894946