美国宣布首次实现可控核聚变点火 真能无限能源?国内专家解释明白了

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  美国能源部宣布,在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL),研究人员首次在核聚变反应中产生“净能量增益”,即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。

  人类探索核聚变已经有几十年的历史,但长期以来聚变反应总是无法实现净能量增加,即消耗能量总是超过反应产生的能量。

  因此,美国宣布首次实现聚变点火,旋即引发了科学界的轰动。有乐观的议论认为,一劳永逸地解决能源问题已经出现曙光,核聚变有望数十年或更长时间内实现商业化,它将为人类带来真正清洁、无限能量的能源。

  美国激光核聚变成功点火,能否破解人类能源难题?

  中国工程院院士杜祥琬接受凤凰网采访时表示,美国国家点火装置实验目的,不是给人类提供能源解决思路,而是核武器研究。

  一、解决能源问题的曙光?

  核聚变是模仿太阳的原理,使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核,结合期间释放出大量能量。与化石能源相比,核聚变反应不排放二氧化碳,与目前广泛应用的核能(核裂变)相比,它既不会产生核废料,辐射也极少,因此被称为清洁能源的“圣杯”。

  此前,美国国家点火设施已进行了多次核聚变实验,最好的成绩是产出和投入能量比为70%,仍然是净能量损失。这一次的不同之处在于,核聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量,大约是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%,输出能量大于输入能源。

  对此,美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆表示,美国首次成功在核聚变反应中实现净能量增益是一项“里程碑式的成就”,这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

  不过,相较于乐观的美国专家们,中国工程院院士杜祥琬对这一实验成果保持了更谨慎的看法。

  他在接受凤凰网采访时表示,美国国家点火装置实现的净能量增益,是科研上的进展,但离产生上百倍的高增益目标还差得很远,更不说提变成真正清洁、无限能量的“人造太阳”。

  他还指出,美国国家点火装置实验目的,不是给人类提供解决能源问题的思路,而是核武器研究。

  据悉,美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行,它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应,并为美国核武器储备的维护提供指导。

  美劳伦斯利弗莫尔国家实验室

  美劳伦斯利弗莫尔国家实验室

  杜祥琬认为,LLNL的核聚变增益属于聚变物理范畴,不太可能为人类能源问题提供解决思路。他解释道,人们真正用于能源的核聚变,是一种非爆炸性的可控的核聚变。

  根据实验分析,LLNL核聚变反应释放了大约3.15MJ的能量,比进入反应的能量多大约54%,是之前1.3MJ记录的两倍多。 不过,虽然聚变反应产生了超3.15MJ的能量,但NIF在此过程中消耗了高达322MJ的能量,大约是3.15MJ的102倍。

  二、与美国相比,我国的“人造太阳”现在处于什么水平?

  目前为止,人造太阳的途径目前有两个:一是磁约束核聚变,另一类就是此次成功点火的激光核聚变。

  中国工程院院士杜祥琬向我们解释了激光核聚变的原理。劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)“国家点火装置”的研究人员使用了192束激光,从两端向一个圆柱体发射激光束将能量注入,而圆柱体中一个仅有半个气枪BB弹大小的靶丸受到挤压,球内的氘氚聚变燃料被“点燃”,产生出能量。

  磁约束核聚变的具体应用为托卡马克装置,通电后托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场,将悬浮其中的等离子体加热到一个较高温度,最终引发核聚变。

  杜祥琬指出,对于两种技术路线,学界主流认识认为,托卡马克装置的磁约束核聚变实现商用化更有希望,是真正走向聚变能的技术途径。

  目前,全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆(ITER),即采用了托卡马克装置。ITER是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,同时是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。

  2006年,中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆(ITER)项目启动协定。今年11月,中国负责的其中一个关键组成部分,增强热负荷第一壁首件制造完工。

  据介绍,中国核能发展实施“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略,在磁约束和惯性约束聚变上均有研究。目前,中国磁约束核聚变技术的研究上已处于世界前列。

  2021年12月我国合肥东方超环实现了1056秒长脉冲高参数等离子体运行,是之前保持记录的2倍还多;今年10月,中国新一代“人造太阳”HL-2M等离子体电流突破100万安培,创造了中国可控核聚变装置运行新纪录,标志着中国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。

  三、人类距离用上核聚变能源有多远?

  无论是哪条技术路线,核聚变商业化广泛应用,将人造太阳变成现实,都预计仍需要很长时间。

  LLNL主任基姆·布迪尔(Kim Budil)表示,实现核聚变商业化可能需要数十年,核聚变技术还需克服诸多障碍,包括实现每分钟完成多次聚变点火,并拥有稳健的驱动程序系统等。

  “我们的计算表明,激光系统有可能实现数百兆焦耳的产量,实现产量的目标是有途径的。”但我们现在离实现那个目标还很远。”

  杜祥琬表示,核聚变没有原理性的障碍,但是技术比较困难。想要大规模使用聚变能,最大的挑战是要有高密度高温的条件,需要反应维持足够长的时间,并且科学家们能够大幅降低他们的成本。“我没有聚变专家那么乐观,但实现地球上造一颗人造太阳,本世纪是可以看到的。”

  杜祥琬还指出,可控核聚变能够多广泛应用在人类的生活和工作中,取决于它多经济,现在全球科学家都还在努力探索。不过,可控核聚变获取能源也只是人类探索清洁和可持续能源的出路之一,其他的可持续和清洁能源同样可以研究和利用,如太阳能、风力、水力、地热等能源。


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