美国科学家宣布通过核聚变产生能源这一长期难以实现的目标取得重大突破。
美国能源部于2022年12月13日表示，经过几十年的尝试，科学家们第一次成功地从这一过程中获得了比他们必须投入的更多的能量。
但这一发展究竟有多大意义呢?核聚变能提供丰富、清洁的能源，这一长久以来的梦想还有多远?密歇根大学核工程副教授卡罗琳·库兰兹(Carolyn Kuranz)曾在刚刚打破核聚变记录的设施工作，她帮助解释了这一新结果。
聚变室里发生了什么?
核聚变是一种核反应，两个原子结合在一起，产生一个或多个总质量略小的新原子。正如爱因斯坦著名的方程E = mc2所描述的那样，质量的差异以能量的形式释放出来，其中能量等于质量乘以光速的平方。由于光速是巨大的，将一小部分质量转化为能量——就像在核聚变中发生的那样——也会产生同样巨大的能量。
位于加州的美国政府国家点火设施的研究人员首次展示了所谓的“聚变点火”。点火是指聚变反应产生的能量大于从外部来源进入反应的能量，并变得自我维持。
燃料装在一个小罐子里，这个小罐子的设计是为了使反应尽可能不受污染物的影响。美国能源部/劳伦斯利弗莫尔国家实验室
国家点火设施使用的技术是向一个0.04英寸(1毫米)的燃料小球发射192束激光，该燃料小球由氘和氚(氢元素的两种版本，带有额外的中子)组成，放置在一个金罐中。当激光击中罐子时，它们会产生x射线，将燃料球加热并压缩到铅密度的20倍，超过500万华氏度(300万摄氏度)——大约是太阳表面温度的100倍。如果你能保持这些条件足够长的时间，燃料就会聚变并释放能量。
在实验过程中，燃料和罐子在几十亿分之一秒内蒸发掉。然后，研究人员希望他们的设备能够经受住高温，并准确测量出聚变反应释放的能量。
那么他们取得了什么成就呢?
为了评估聚变实验的成功与否，物理学家会观察聚变过程中释放的能量与激光器中能量的比例。这个比例叫做增益。
任何超过1的增益都意味着聚变过程释放的能量比激光传递的能量更多。
2022年12月5日，美国国家点火设施发射了一个燃料颗粒，其激光能量为200万焦耳，大约相当于吹风机运行15分钟所需的能量，所有这些能量都包含在十亿分之一秒内。这引发了聚变反应，释放了300万焦耳的能量。这一增幅约为1.5，打破了该设施在2021年8月创下的0.7的纪录。
这个结果有多重要?
近半个世纪以来，核聚变能源一直是能源生产的“圣杯”。虽然我相信，1.5倍的增益是一个真正历史性的科学突破，但在核聚变成为一种可行的能源之前，还有很长的路要走。
虽然200万焦耳的激光能量低于300万焦耳的聚变产量，但该设备需要近3亿焦耳的能量才能产生实验中使用的激光。这一结果表明，核聚变点火是可能的，但在考虑到整个端到端系统，而不仅仅是激光和燃料之间的单一相互作用时，还需要做大量工作来提高效率，使核聚变能够提供净正能量回报。
用于制造强大激光的机械设备，比如这些前置放大器，目前需要的能量比激光本身产生的能量多得多。劳伦斯利弗莫尔国家实验室，CC BY-SA
需要改进的是什么?
几十年来，科学家们一直在稳步改进聚变之谜的许多部分，以产生这一结果，进一步的工作可以使这一过程更有效。
首先，激光是1960年才发明的。当美国政府在2009年完成国家点火设施的建设时，它是世界上最强大的激光设施，能够向目标传递100万焦耳的能量。今天它产生的200万焦耳的能量是地球上第二强激光的50倍。更强的激光器和更低能耗的激光器生产方法可以大大提高系统的整体效率。
核聚变条件非常具有挑战性，胶囊或燃料中的任何微小缺陷都会增加能量需求并降低效率。科学家们已经取得了很大的进展，可以更有效地将能量从激光转移到气罐，并将x射线辐射从气罐转移到燃料胶囊，但目前只有大约10%到30%的激光总能量转移到气罐和燃料。
最后，作为燃料的一部分，氘在海水中自然含量丰富，而氚则稀缺得多。核聚变本身实际上会产生氚，所以研究人员希望能找到直接获取氚的方法。与此同时，还有其他方法可以生产所需的燃料。
在核聚变为你的家庭提供电力之前，这些以及其他科学、技术和工程障碍都需要克服。此外，还需要努力将核聚变发电厂的成本从国家点火设施的35亿美元大幅降低。这些步骤将需要联邦政府和私营企业的大量投资。
值得注意的是，围绕核聚变存在着一场全球竞赛，世界各地的许多其他实验室都在追求不同的技术。但随着国家点火装置的新结果，世界第一次看到了聚变梦想是可以实现的证据。
本文转载自The Co在创作共用许可下的对话。阅读原文。
