核聚变突破加速开启无限能源探索之路 - 《华尔街日报》

一名技术人员正在预放大器支撑结构内调整光学元件。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室。美国能源部周二表示，联邦研究机构的科学家在核聚变研究方面取得突破性进展。核聚变长期以来被视为清洁、几乎无限的潜在能源。

美国能源部长珍妮弗·格兰霍姆和其他政府官员在华盛顿特区能源部总部举行的新闻发布会上表示，位于加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行的受控聚变反应产生的能量超过了消耗的能量。

据能源部称，这一被称为"聚变点火"的里程碑是史无前例的。

“这就是美国引领的典范，而我们才刚刚开始，“格兰霍姆部长表示，并补充说这一突破"将载入史册”。

该实验室耗资数十亿美元的国家点火装置研究人员十多年来一直在研究核聚变，利用激光创造使氢原子聚变并释放大量能量的条件。自2009年该设施开始运行以来，科学家们一直未能实现产生净能量增益的聚变反应——这是将聚变转化为实用能源的关键一步。

但12月5日在该设施进行的一项实验产生了3.15兆焦耳的聚变能量，而触发反应消耗的能量为2.05兆焦耳。

研究人员表示，上周一凌晨1点刚过，他们向一个装有氢同位素钻石胶囊的微型圆柱体发射了世界上最大的激光。在短暂瞬间，激光释放的能量超过了整个美国电网的功率，试图压缩胶囊内的燃料，使其达到比太阳核心更高的密度、温度和压力。在发射后的瞬间，研究人员并不确定发生了什么。

“激光发射了。整个过程仅持续几十亿分之一秒，因此我们需要一套精密的诊断设备来测量结果，“该项目首席实验专家亚历克斯·齐尔斯特拉说，“当数据开始传回时，我们首次发现产生的聚变能量超过了激光输入能量。”

核聚变之所以能吸引研究人员、投资者和企业的广泛关注，源于它有望替代燃烧化石燃料并排放温室气体的能源——马德里国立远程教育大学（UNED）的拉斐尔·华雷斯·马尼亚斯博士（未参与近期实验）指出，在"迫在眉睫的能源与气候危机"背景下，这一目标恰逢其时。

现有核电站（供应全球约10%电力）通过核裂变发电，即通过分裂铀等重原子产生能量。

裂变会产生持续数千年的放射性废物。聚变则不会产生此类废物，也不会排放二氧化碳等温室气体。而作为聚变反应燃料的氢原子，其供应基本是无限的。

但这项技术的商业应用据核聚变研究人员表示，可能仍需数年甚至数十年才能实现。

美国国家点火设施提供的示意图显示，一个靶丸置于黑腔辐射腔内，激光束从两端开口射入。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室/美联社贝尔法斯特女王大学物理学教授贾恩卢卡·萨里表示，现在讨论建造聚变发电厂为时过早。他未参与这项新研究。“在成为能源之前，仍有技术问题需要解决，“他补充道。

“我们仍未获得电能，“萨里博士说。

罗切斯特大学激光能量学实验室高级科学家乔纳森·戴维斯表示，国家点火设施的激光器效率不足1%。该设施消耗了数百兆焦耳电力来产生激光，仅获得约3兆焦耳的聚变能量。

“激光聚变发电厂需要每秒发射约10次才能产生合理的电力输出，“戴维斯博士说。

美国能源部国家核安全管理局国防项目副局长马文·亚当斯表示，这一突破可能加强美国在不进行核试验的情况下确保核武器可靠性的努力。

美国自1992年起暂停核试验，转而依赖广泛的实验和计算机模拟项目来评估核武器的可靠性。其中部分工作正在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的点火设施中进行。

尽管美国与185个国家共同签署了《全面禁止核试验条约》，但始终未予批准。部分反对者声称未来可能仍需进行核试验。

“如今我们产生了更多聚变能量，实验条件更接近热核炸弹核心状态，“哈佛大学核专家、前白宫官员马修·邦恩表示，“这能让我们更有信心在不进行核试验的情况下确保核武器有效性。”

全球聚变研究者采用多种方法引发和控制聚变反应。利弗莫尔设施使用近200束激光将氢原子加热压缩至超过1.8亿华氏度，压力超地球大气压1000亿倍。这种极端条件形成等离子体态，促使氢原子发生聚变——这正是太阳等恒星的能量来源。

“该实验首次证明聚变可在实验室而非恒星环境中实现，“英国牛津附近卢瑟福·阿普尔顿实验室中央激光设施的资深等离子体物理学家罗比·斯科特指出。

曾在劳伦斯利弗莫尔实验室工作一年（但未参与近期实验）的斯科特博士表示，全球聚变能领域"走过漫长艰辛之路"才达此成就，但他始终相信点火目标终将实现。

“能真正达到这一阶段简直太棒了，因为这是一个具有开创性意义的成果，”他补充道。

尽管存在科学与工程挑战，私人投资者仍在向这一新兴行业大量注资。

据聚变工业协会数据，超过30家公司（大部分位于美国）正竞相推进聚变商业化，已筹集逾50亿美元资金。这些企业不仅争相成为首个实现净能量增益的机构，更致力于通过建设电厂级规模电网供电实现商业化。

“净能量增益是个重要声明，但净能量不等于净功率，”能源咨询公司Veriten与Segra Capital Management的核能专家布雷特·兰帕尔表示。尽管多家公司宣称能更快达成目标，兰帕尔预计部分拥有原型的私营聚变企业或将在十年内实现净功率输出，此后5-10年可能出现商业产品示范。

尽管如此，聚变企业仍将国家点火装置的成果视作实现净功率的关键里程碑。

“这是验证理论的关键一步，为蓬勃发展的聚变能源领域注入了信心，”已融资12亿美元的TAE Technologies首席执行官米歇尔·宾德鲍尔表示。

麻省理工衍生企业Commonwealth Fusion Systems LLC（融资超18亿美元）的联合创始人兼首席执行官鲍勃·芒加德称，净能量成果是对聚变行业的权威认证。“这些激动人心的成果是多年工作的结晶，证明聚变科学值得投资，”芒加德表示。

迈克尔·R·戈登对本文有贡献。

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刊登于2022年12月14日印刷版，标题为《聚变突破预示清洁能源未来》。