核聚变能源何时能投入使用？关注这三个关键数字 - 《华尔街日报》

核聚变实验为获取近乎无限的清洁能源提供了可能。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室/法新社/盖蒂图片社美国能源部上周宣布在核聚变研究领域取得突破，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一次受控反应产生的能量超过了其消耗的能量。

核聚变有望提供几乎无限的清洁能源。这一突破需要多久才能兑现承诺？要了解这一点，有必要知道核聚变科学和经济学中代表关键"盈亏平衡点"的三个简单数字。

第一个点被称为科学盈亏平衡——即聚变反应产生的能量超过最初引发反应所消耗的能量。12月5日利弗莫尔实验室的实验首次突破这一阈值。这意义重大，但只是三个里程碑中的第一个。

最近的核聚变突破让人想起恩里科·费米开创性的核裂变反应堆研究。图片来源：牛津科学档案馆/盖蒂图片社第二个是工程盈亏平衡，即整个聚变反应堆产生的能量超过其消耗的能量。要成为实用的能源，需要的是净产出而非净消耗能源的设施。最近的实验远未达到这一目标。

实现核聚变部署还需要达到第三个里程碑，即经济或商业上的盈亏平衡点，届时核聚变发电设施的运营成本将比其他能源更具效益。

那么近期消息公布后，我们处于什么阶段？

如今的核电站采用核裂变技术：通过分裂大原子释放能量（同时产生长寿命放射性废物）。而核聚变则是将两个小原子加热至足够高温使其融合，从而产生能量。

核聚变是包括太阳在内的恒星能量来源。劳伦斯利弗莫尔国家实验室等机构正尝试在地球上复现这一现象——用全球最强激光系统轰击一颗近乎完美的超光滑钻石胶囊，压缩内部的氢原子。

通常用简单的Q值比来评估科研进展：释放能量除以输入能量。Q值小于1表示反应消耗能量多于产出，大于1则意味着能量净增益。

在最新实验中，科学家输入2.05兆焦耳能量，输出了3.15兆焦耳。Q值为3.15除以2.05，约1.5。

核聚变实验旨在复现恒星能量产生过程。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室/美联社剑桥大学核能工程师托尼·罗斯通称此里程碑为"验证可行性"阶段，堪比1942年物理学家恩里科·费米首次实现核链式反应——该突破最终催生了全球数百座核裂变反应堆，如今供应着全球10%的电力。

如果一种反应产生的热量超过其消耗的热量，难道不能通过重复实验来创造无限能量吗？罗尔斯通先生表示，实际操作中的挑战巨大。他说，激光需要每秒发射多次，同时那些完美的小钻石胶囊也需要每秒精准插入和定位数十次。

更大的障碍在于第二个Q值，即工程收支平衡点。近期突破背后的科学家们谨慎地澄清，特定反应产生的能量确实超过了其消耗的能量，但整个反应堆并未实现这一点。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室武器物理与设计项目主任马克·赫尔曼告诉记者，为了产生3.15兆焦耳的能量，实验室消耗了约300兆焦耳的能量来发射激光。

即使不是物理学家也能看出，这远非可行的能源来源。整个反应堆的Q值约为0.01——大约是收支平衡点的1%。

“激光的设计初衷并非追求效率，”赫尔曼先生说，“而是为了提供尽可能多的能量，以便在实验室中创造这些极端条件。”

普林斯顿等离子体物理实验室首席研究官乔纳森·梅纳德表示，这意味着科学家需要将技术提升100倍。

未来聚变实验中需要关注的是，这个工程Q值是否会逐步趋近于1，还是依然微乎其微。

希望依然存在。随着时间的推移，激光效率已逐渐提高，用更少的电能就能产生相同的光功率。（这一现象有个令人愉悦的低技术术语——“壁插效率”。）

此外，利弗莫尔的科学家们表示，他们实验中的钻石胶囊存在缺陷，而进行该实验的国家点火设施的建造始于20多年前。“这项技术是80年代和90年代的技术，“实验室惯性聚变能源机构倡议负责人谭米·马说。

“如果在聚变效率上提升10倍，在整体效率上再提升10倍，粗略计算就能获得100倍的增益，“梅纳德博士说，“这将接近盈亏平衡点。这两点在理论上都是可能实现的。“他表示，在政府支持下，这可能需要一二十年的时间。“我们应该朝这个方向努力，并全力推进，“他补充道。

接下来是最终挑战：经济或商业层面的盈亏平衡。一旦聚变反应堆产生的能量超过其消耗，它们是否真的值得建造？或者说其他能源是否会更便宜？

这将取决于化石燃料等其他能源的价格走势。梅纳德博士指出，即使聚变能比某些替代能源更昂贵，他认为它仍将发挥重要作用。例如，即便电池系统得到改进，太阳能和风能仍主要在日照和风力充足时最有效，而聚变电厂可以在其他时段启动以填补缺口。

“要实现其成为实用能源，还需要更多技术进步，“他说。但他认为这依然令人振奋：“我希望人们能对这项极富挑战性的工作感到兴奋——在地球上造出一颗星星。”

写信给乔什·祖姆布伦，邮箱：[email protected]

刊登于2022年12月17日印刷版，标题为《三个数字是核聚变潜力的关键》。