美国宣布首次实现核聚变净能量增益，距离商业化还有多远？

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美国宣布首次实现核聚变净能量增益，距离商业化还有多远？
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2022-12-14 08:43:40 字号：A- A A+ 来源：观察者网

最后更新: 2022-12-14 13:40:00

核聚变是怎么回事？

自核聚变技术1930年代诞生以来，该行业的口号似乎一直是“三十年内，我们有望建成可产出能源的核聚变反应堆”。早在1940年代，科学家们就开始试验聚变反应堆。虽然它们长期以来一直能够产生聚变反应，但直到现在，这些反应总是需要输入超过它们最终所产生的能量。

核聚变，是指将两个较轻的原子核结合，形成其他的核子；不过，一般来说“产生新原子”不是目的。该过程中，新生核子质量不及原来核子质量，质量没有守恒，多出的质量被转换为光子能量；产出的能量根据爱因斯坦著名的质能守恒方程“E=Mc^2（能量=质量x光速^2）”。科学家希望利用这一过程产出的能量。

质量最轻的核子分别是氢和氦，这两个元素在核聚变中最常见。太阳就是通过不断地将氢原子变成氦原子而持续释放热量，在其生命接近尾声时也将开始“燃烧”氦原子，因此核聚变也有时被称为“人造太阳”技术。

氘氚聚变反应（图源：IAEA）

不过，宇宙中最常见的氢同位素（同一原子不同的同位素，区别在于其中子数量，不过由于同位素之间质子数量一样，除了重量差异，日常化学反应上没有区别）是“氕”（即一个质子，占氢总量>99%），而氕需要100亿度左右的温度，才能突破两个质子（都是+1e电荷，正正相斥）之间的静电能量壁垒，从而结合。太阳中心“只有”1500万度，一度被认为无法实现核聚变，不过科学家后来发现，质子可以偶尔经由波函数的隧道，穿过这一障碍。即便如此，太阳每年也只能聚变其0.000000000001%的燃料，太阳的热量主要还是源于其巨大的基数。

而人类显然无法创造太阳这么大的反应堆基数。更大的问题是，太阳内的氕原子因太阳巨大的引力，很难自己“逃跑”，因此太阳可以维持自己当前的温度和压力（高达2000亿大气压），“耐心等待”氕原子偶然发生聚变。人类要想在“又冷又松散”的地球上复制太阳核心的条件已经够难了，更不可能“耐心等待”原子偶然发生聚变。

幸运的是，人类可以采取其他反应实现核聚变。氢的同位素除了最常见的氕，还有氘（1质子+1中子）和氚（1质子+2中子）。中子的存在，加大了核子之间强核力的作用；质子既有互相吸引的强核力，也有互相排斥的电磁力，而没有电荷的中子，与质子和自己之间只有同等强度的强核力，不存在排斥力。氘氚之间的聚变反应，“只需要”1500万度，“连太阳都能正常实现”，反应产出一个氦-4核子和一个中子。

NIF就是采用了氘氚聚变路线。为了至少短时间内实现核聚变，NIF使用全世界最强的激光，通过192个射线，在几纳秒内输送5万亿瓦功率的光能。激光的“靶子”，是一个名叫“环空器”的空腔，中间包含氘氚燃料。激光输入的能量，使燃料温度达1亿度，核聚变反应“点火”，从而产生能量，故名“国家点火装置”。这一技术路线称为“惯性约束聚变”。

NIF惯性约束聚变（图源：《金融时报》）

该反应要求环空器内壁和燃料小球形态完全对称，使得燃料小球得以均衡接受能量，连微米级别的缺陷都不允许，否则在不对称加热情况下，激光带来的能量可能从小球的一侧往外释放，无法使氘氚燃料内爆至核聚变发生。

据劳伦斯利弗莫尔国家实验室介绍，NIF通过测量产出的中子数量，倒推出发生的氘氚反应数量，从而得出能量产出额。

随着人类高端制造愈发精细化，制作愈发完美的环空器和燃料小球，“惯性约束聚变”下的核聚变效率得以不断提升。据《科学美国人》1974年的估算，“惯性约束聚变”理论上可实现输入140万焦耳，得出3000万焦耳，Q>20。

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