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【新智元導讀】美國LLNL實驗室首次實現核聚變反應的凈能量增益，「人造太陽」或將成真了。
爆炸性消息！史上首次，人類實現了核聚變反應的凈能量增益。
凈功率增益，即產生的聚變功率與用於加熱等離子體的功率之比率。
美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），從一個實驗性核聚變反應堆中，讓核聚變反應產生的能量多於了這一過程中消耗的能量。
這就意味着，人類朝人造太陽的目標，又近了一步。
而化石燃料和傳統核能，或將退出歷史的舞台！
核聚變反應凈能量增益，意味着什麼
「核聚變」究竟是什麼呢？
簡單地說，就是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核，並釋放出巨大能量的過程。
我們都知道，萬物生長靠太陽，太陽是地球上一切生命的源泉，那太陽的能量來自於哪裡呢？
就是核聚變。
在這個熱核反應中，兩個氫原子碰撞並聚合成氦原子，氦的質量比原來的氫原子略小。
因此，根據愛因斯坦標誌性的E=mc²質能方程，這個質量差會轉化為能量爆發出來。
在太陽的核心，每秒都在發生6.2億噸氫的核聚變
這種能量，使我們人類得以生存。
理論上，只要有幾克氘（重氫）和氚（超重氫）的混合反應物，就有可能產生一太（萬億）焦耳的能量，這大約是發達國家的一個人60年內所需的能量。
既然核聚變能產生如此大的能量，那我們人類能不能自己DIY這個過程，造出個「人造太陽」？
沒錯，科學家們早就開始這麼想了。
自從人類開啟了和平利用核能的研究，如何在可控的條件下利用核聚變反應產生的能量，一直是人類的終極目標（而目前的核電站，原理是核裂變反應）。
但是，利用核聚變最大的難題之一是，核聚變過程本身也會消耗巨大的能量，該如何讓核聚變反應釋放出的能量大於輸入的能量，而且讓這個過程可持續呢？
從上世紀50年代以來，無數的物理學家就一直希望從核聚變反應中產生比消耗更多的能量。
如果攻克了這個最大的難題，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。
也就是說，到了那時，就不再有煤和石油燃燒產生的溫室氣體，不再有危險、長效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」！
而現在看起來，這個難題的第一步已經被解決了。
據英國《金融時報》報道，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）從一個實驗性核聚變反應堆中實現了「凈能量增益」，讓核聚變反應產生的能量多於這一過程中消耗的能量。
據消息人士透露，這次反應產生的能量是消耗能量的120%，至少有兩名研究人員證實了這一消息。
一位資深核聚變科學家對《華盛頓郵報》表示：「對我們大多數人來說，這只是一個時間問題。」
此次核聚變反應產生了大約2.5兆焦耳的能量，大約是激光器中2.1兆焦耳能量的120%，目前具體數據仍在進一步分析中。
美國能源部和LLNL發言人均表示，目前無法評論《金融時報》的報道，不過美國能源部長Jennifer Granholm表示，將在今天晚些時候宣布一項「重大科學突破」。
核聚變專家亞瑟·特瑞爾（Arthur Turrell）博士表示，「如果這個結果得到最終證實，我們將見證一個歷史性的時刻。」
四次復現全部失敗，人類科技被智子鎖死？
其實，之前的科學家們，就曾見證過這一奇蹟。
2021年8月，LLNL曾宣布了一項重大突破：破紀錄地產生了超過10萬億瓦的高能聚變能量——雖然時長只有一秒不到。
裝置將最初的光子脈衝放大並分成192道紫外線激光束後，在不到40億分之一秒的時間內以大約1.9兆焦耳的能量擊中目標（裝着冷凍的氘和氚），創造出只有在恆星和熱核彈中才能見到的溫度和壓力。
面對如此強大的脈衝能量，原子核會因核聚變釋放出一連串的粒子，並由此產生更多的聚變和更多的粒子，從而形成持續的聚變反應。
根據定義，當聚變反應產生的能量超過其消耗的能量時，就能成功「點火」。
而在8月的試驗中，通過核聚變反應產生的能量，已經佔到了輸入能量的70%，可以說非常接近點火了。
然而，在接下來進行的4次試驗中，都未能復現當時的結果。
其中效果最好的一次，也只達到了8月份實驗所產生能量的50%。
對此，研究人員分析認為，由於目前正處於聚變「點火」的臨界點附近，所以不同實驗間微小、偶然的差異都會對結果造成巨大影響。
從重複實驗的失敗中不難看出，研究人員在很長一段時間內，仍然無法精準理解、操縱和預測這類高能實驗。
甚至知友「氯甲烷」調侃稱：「我覺得人類科技可能真的被智子鎖死了」。
復刻核聚變為何如此之難？
為什麼人類想要復刻核聚變，會這麼難呢？
這就要從核聚變反應的條件說起。
核聚變反應發生在一種叫作等離子體的物質狀態中。
等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同於固體、液體和氣體的獨特性質。
從左至右：固體，液體，氣體，等離子體
為了實現聚變，原子核需要在超過1000萬攝氏度的極高溫度下相互碰撞，以使它們能夠克服相互間的電排斥力。
一旦原子核克服了這種排斥力，並進入彼此非常接近的範圍，它們之間的核力吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠實現聚變。
要做到這一點，眾多原子核必須被約束在一個小空間內，以增加碰撞的機會。
在太陽中，存在巨大的引力，而這種引力所產生的極端壓力，正為核聚變的發生創造了條件。
在太陽內部，氫原子被加熱到等離子體狀態，電子不再圍繞質子旋轉，然後釋放的原子核聚變形成氦原子和中子，釋放出巨大能量
然而，太陽中有着能夠誘發核聚變的巨大引力，我們人類卻沒有這樣的自然條件。
在地球上，要想使氘和氚發生聚變，就需要超過1億攝氏度的溫度和強大的壓力，還需要充分的約束，才能使等離子體和聚變反應保持足夠長的時間。
現在，我們人類的實驗中已經非常接近核聚變反應堆所需的條件，但仍需改進約束性能和等離子體的穩定性。
來自50多個國家的科學家們，在不斷試驗新材料，設計新技術。
不過，就像我們在上文所看到的，許多實驗已實現聚變，但並未實現凈功率增益。
而這次突破，是否意味着我們就要用上純粹的清潔能源了呢？其實並沒有。
首先，即使單純從數據上看，120%的能量凈增比例仍然是遠遠不夠的。據科學家估計，如果要將核聚變技術落地實用，能量輸出必須至少比進入的激光器的能量高出幾倍才有可能。
而且，這次實驗中的NIF的激光器效率極低，也就是說，實驗中供給激光器的能量中，只有很小一部分實際進入了激光束中，實際參與了激發核聚變的反應中，大部分能量都被浪費掉了。
按照這種轉換效率，即使未來的激光器（比如固態激光器）能夠進一步提升轉換效率，但距離100%的核聚變應用，仍然是很遙遠的事情。
但是至少，我們實現了從0到1的一步。
我國新一代「人造太陽」再次取得進展
建人造太陽的，不止是美國的科學家。
早在20世紀50年代，我國也開始了可控核聚變的研究。
與LLNL採用的「慣性約束聚變」方法不同，迄今為止大多數核聚變研究都採用名為「托卡馬克」的圓環形反應堆。
它的原理是：在反應堆內，將氫氣加熱到足夠高的溫度，讓電子從氫原子核中剝離，形成等離子體（帶正電的核和帶負電的電子云）。磁場將等離子體困在圓環形狀的裝置內，將原子核融合在一起，以中子的形式釋放出能量向外飛去。
2020年12月4日，由中核集團核工業西南物理研究院自主設計、建造的新一代「人造太陽」建成並實現了首次放電。
2022年10月，相關研究再次取得重大進展——HL-2M等離子體電流突破100萬安培（1兆安）。
這不僅創造了我國可控核聚變裝置運行新紀錄，也標誌着我國核聚變研發距離聚變點火邁進了重要一步。
HL-2M是我國目前規模最大、參數最高的托卡馬克裝置。
其核心參數是等離子體電流強度，而等離子體電流達到100萬安培（1兆安）是其實現聚變能源的必要條件，未來托卡馬克聚變堆必須在兆安級電流下穩定運行。
此次突破意味着該裝置未來可以在超過1兆安培的等離子體電流下常規運行，這對我國自主設計運行聚變堆具有重要意義。
總結一下
據悉，對於勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的這次實驗的重大公告，美國能源部預計將在美國太平洋時間周二上午7點，也就是北京時間的今晚23點左右進行直播。
人類歷史會被永遠改變嗎？十小時後見分曉！
參考資料：
https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7
https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2022/12/12/nuclear-fusion-breakthrough-benefits/
https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1
https://www.163.com/dy/article/HF5BLDSD0511F2M4.html