核聚变研究突破，人类离清洁能源还有多远

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位于美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）13日宣布，他们成功地实现了“核聚变点火”（fusion ignition）——核聚变反应所产生的能量多余其消耗的能量。这一突破一旦商用，将为人类提供近乎无限的清洁能源。研究人员告诫说，尽管取得了最新的成功，但要实现这一目标前方的道路依旧漫长。

一座科学的里程碑

“这是一个有关实现一种可能性的美妙例子，它是一座科学的里程碑，一条通往清洁能源的可能道路，”白宫科学顾问普拉巴卡（Arati Prabhakar）13日上午在公布这一突破的新闻发布会上说道，“它让我们更深入地了解了这里面的科学原理。”

简单来说，核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变所产生的能量巨大，是核裂变的四倍。包括太阳在内的恒星都是由核聚变来提供动力。如果能成功将核聚变商用，它将是一种非常丰富的清洁能源，它既不会像化石燃料一样排放温室气体，也不会像现在的核电站那样需要处理放射性废物。

但之前的科学家在实现核聚变反应时所面临的一个问题是，实验所消耗的能量要大于核聚变所产生的能量。这一难题在12月5日凌晨1点03分出现了转机。在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室中，国家点火设施（National Ignition Facility）的192台巨型激光器将2.05兆焦耳的能量传递到一个豌豆大小的金圆柱体上，该金圆柱体中含有氢同位素氘和氚的冷冻颗粒。能量脉冲导致金圆柱体内爆，产生了只有在恒星和热核武器中才能看到的温度，氢同位素融合成氦，释放出额外的能量并产生了一连串的核聚变反应。实验室的分析表明，该反应释放了大约3.15兆焦耳的能量，比输入的能量多了近54%，成功实现“核聚变点火”。

“核聚变研究自20世纪50年代开始就一直在进行，这是实验室中第一次核聚变反应所产生的能量超过了它所消耗的能量。”罗切斯特大学核聚变实验室前主任坎贝尔（Michael Campbell）接受《自然》网站采访时说道。

从不可能到可能

国家点火设施建于1997年，是美国能源部核武器计划的旗舰实验设施，旨在用于研究热核爆炸，以及实现当初所承诺的“点火”目标。然而当2009年开始运转时，该设施几乎没有产生任何的核聚变，美国政府为此投入了35亿美元，它也因此受到了质疑和批评。

2014年，研究人员终于获得了一些成功，但所产生的能量可以说是微乎其微——相当于一个60瓦灯泡在5分钟内所消耗的能量。在接下来几年的时间里，实验的进展十分有限。然而，在去年8月，情况有所突破，核聚变反应所产生的能量首次接近了激光器发出能量的70%左右。随后，通过分析数据和计算机建模，研究人员对实验进行了一些调整，提高了激光器所传递的能量，并改进了激光目标的设计。其实后来研究人员知道他们离“点火”只有一步之遥，而在这种情况下，用劳伦斯·利弗莫尔国家实验室武器物理和设计项目主任赫尔曼（Mark Herrmann）的话说：“小小的改变可以产生很大的不同”。

“有很多人认为这是不可能的，但我和其他一直保持信心的人现在感到了某种平反，”坎贝尔说道，他曾是国家点火设施的早期支持者，“我正在喝大都会鸡尾酒以示庆祝。”

据了解，国家点火设施的主要目标是帮助科学家研究核武器爆炸中的高热和压力，而这只有在该设施产生高产核聚变反应时才有可能。

实现商业化仍有困难

此次实验的突破再次引起了人们对核聚变作为一种清洁能源的热议，但专家警告说，想要实现核聚变的广泛应用，还有很长的一条路要走。

“可能几十年，”劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的布迪尔（Kimberly Budil）13日在新闻发布会上说道，“我不认为是六十年。我也不认为是我们过去所说的五十年。我认为它正在走向前台，并且有可能通过一致的努力和投资，以及几十年的基础技术研究，实现建造发电厂的目标。”

以目前的情况来看，建造激光核聚变发电厂会面临来自科学和技术的双重障碍。国家点火设施拥有世界上最强大的激光器，但这一依靠几十年前技术的设备不仅缓慢而且很低效。目前该激光器平均每周能进行10次发射，而要实现商用，发射速度可能要接近每秒10次。此外，实验真正所消耗的能量要远超过核聚变反应所产生的能量。由于效率低下，为了能产生2.05兆焦耳的能量，激光器需要从电网中提取300兆焦耳的能量。

但是坎贝尔认为，这次的成功会增强人们对核聚变能源的信心，并为建造相应的应用打开一扇大门。他说：“这对于获得销售能源计划的相关可信度来说是绝对必要的。”布迪尔表示：“我不想给你一种我们现在就要把国家点火设施接入电网的感觉：这绝对不可能，但这是核聚变动力方案的基本组成部分”。

新闻来源：CNN、自然、纽约时报，部分图片来源于网络

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