今天朋友圈出現(xiàn)了一個重大科技新聞。美國國家點火裝置（NIF）首次成功實現(xiàn)了能量輸出大于激光能量輸入的可控核聚變反應(yīng)，這是核聚變領(lǐng)域的一次突破。
北京時間2022年12月13日23點，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室宣布，該機構(gòu)的國家點火裝置（NIF）首次成功實現(xiàn)了能量輸出大于激光能量輸入的可控核聚變反應(yīng)，首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。實驗向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達(dá)到153%。3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。
如果考慮到從電能到激光能量的轉(zhuǎn)換效率，整體的能量增益尚未大于1（尚未盈利）。但無論如何，這的確是一項非常重要的進(jìn)展，人類在實用化可控核聚變的道路上又前進(jìn)了一大步。
普通人可能對核聚變還比較陌生，春秋君就為大家科普一下。
所謂核聚變是指由質(zhì)量小的原子在超高溫和高壓的情況下，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。
我們能感受到的核聚變就是太陽的能量釋放。
類似太陽的恒星為什么能源源不斷地釋放出巨大能量，背后原因就是它們內(nèi)部在不斷進(jìn)行著元素氫的核聚變反應(yīng)，釋放出大量的熱量，而當(dāng)太陽內(nèi)部的氫元素通過核聚變消耗殆盡，太陽內(nèi)部的元素就從氫氣全部變成了氦氣。然后太陽膨脹變成紅巨星，開始氦氣的核聚變，釋放熱量，通過一次又一次的核聚變，原子內(nèi)的質(zhì)子數(shù)量不斷增多，其他元素也慢慢產(chǎn)生了。
但是核聚變到了鐵元素就進(jìn)行不下去了，鐵前面這些元素的核聚變都會釋放能量，但是鐵聚變時會大量吸收能量，因為鐵原子的穩(wěn)定性太強了，如果增加一個質(zhì)子要有很大的能量注入。
但是宇宙中為什么會存在貴金屬呢？科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這是由于中子星碰撞的原因。當(dāng)兩個中子星發(fā)生合并爆炸時，大量的中子被拋到了太空中，在這個過程中，原子核在停止放射性衰變之前，敏捷地與一堆自由中子連接在一起，這個過程叫做核質(zhì)變。我們熟悉的各種貴金屬由此誕生。
核聚變對于能源供應(yīng)來說，是太美妙的事情，很多科學(xué)家在往這個方向努力，都想率先打造出一個源源不斷釋放能量的“人造太陽”，而且干凈和安全，沒有有害物質(zhì)產(chǎn)生。
其實，在我們的科學(xué)界早就在研究核聚變，氫彈就是一種不可控的核聚變實驗，其主要利用氫的同位素（氘、氚）的聚變反應(yīng)所釋放的能量來進(jìn)行殺傷破壞。
1953年8月，前蘇聯(lián)宣布?xì)鋸椩囼灣晒Γ?dāng)量40萬噸。其方案是采用鋰的一種同位素鋰─6和氘的化合物──氘化鋰作核燃料。1954年，美國的第一顆實用型氫彈在比基尼島試驗成功。中國于1966年12月28日成功地進(jìn)行氫彈原理試驗。
可控核聚變也是前蘇聯(lián)科學(xué)家首先研發(fā)成功的。
托卡馬克是前蘇聯(lián)科學(xué)家于上世紀(jì)60年代發(fā)明的一種環(huán)形磁約束裝置。目前，全世界僅有俄、日、法、中四國擁有超導(dǎo)托卡馬克。
托卡馬克最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明的。其中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。
如果沒有磁場隔絕，核聚變內(nèi)部幾千萬度高溫可以在瞬間吞噬一切。
2006年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設(shè)計、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。
上世紀(jì)60年代，激光一誕生，科學(xué)家就開展了激光核聚變的研究。
1963年蘇聯(lián)科學(xué)家N.巴索夫和1964年中國科學(xué)家王淦昌分別獨立提出了用激光照射在聚變?nèi)剂习猩蠈崿F(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的構(gòu)想，開辟了實現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的新途徑激光核聚變。
1974年，中國采用一路激光驅(qū)動聚氘乙烯靶發(fā)生核反應(yīng)，并觀察到氘氘反應(yīng)產(chǎn)生的中子。此外，著名理論物理學(xué)家于敏院士在20世紀(jì)70年代中期就提出了激光通過入射口、打進(jìn)重金屬外殼包圍的空腔、以X光輻射驅(qū)動方式實現(xiàn)激光核聚變的概念。1986年，中國激光核聚變實驗裝置“神光”研制成功。
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所建所的一個目標(biāo)就是研究激光核聚變，科研人員在國家的支持下，持續(xù)開展激光聚變研究。
圖為中國的神光
1998年，美國能源部就開始在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室啟動“國家點火裝置工程”。耗資35億美元的美國國家點火裝置位于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，后用于推進(jìn)聚變能研究。
其原理是這樣的：先將外部激光增強10000倍，然后將一束激光分離為48束激光，再增強，進(jìn)一步分離為192束激光，其總能量增加到原來能量的3000萬億倍，再聚焦到直徑為3毫米的氘氚小丸上，產(chǎn)生1億度的高溫，壓力超過1000億個大氣壓，進(jìn)而引發(fā)核聚變。
從科學(xué)角度看，其釋放的能量應(yīng)該是是輸入能量的15倍還多。因為激光在鏡面之間來回反射，并通過3000塊磷酸鹽玻璃，其中的鈦原子會使激光束擴大。
從上圖我們可以看出其中有大量的激光束。
2014年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家獲得成果，但當(dāng)時產(chǎn)生的能量非常小，相當(dāng)于一個60瓦的燈泡在5分鐘內(nèi)消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚變反應(yīng)中產(chǎn)生了1.37兆焦耳的能量，約為那次激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。2022年9月，實驗室又成功再現(xiàn)了一次去年的結(jié)果，今年12月5日再次沖刺，得到了3.15兆焦耳的能量輸出。
事實上，除了磁約束核聚變（托卡馬克）和激光約束（慣性約束），還有一個研究方向，那就是超聲波核聚變。
所謂超聲核聚變就是用超聲波觸發(fā)核聚變。2003年，泰斯恩創(chuàng)建“脈沖裝置公司”，雇傭“聲致冷光”的研究人員開發(fā)直徑6米的超聲聚變反應(yīng)堆。
那么這次的重大成果背后的意義是什么呢？
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆表示，美國首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)凈能量增益是一項“里程碑式的成就”。這項成果預(yù)計將可能幫助人類在實現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾（Kim Budil）在13日的新聞發(fā)布會上表示，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。
春秋君認(rèn)為，這個重大成果讓人類看到了可控核聚變技術(shù)走向商業(yè)化的可能，我們的面前出現(xiàn)了一縷曙光，但是從曙光到最后的成功還有很長一段路要走。
有專家指出，科學(xué)家和專家們現(xiàn)在需要尋找如何從更大規(guī)模的核聚變中產(chǎn)生更多的能量。與此同時，他們需要弄清楚如何最終降低核聚變的成本，使其能夠在商業(yè)上運用。
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任朱健強這樣描述未來商業(yè)化上需要攻克的難點，“三四個小時打一次激光，肯定做不了電站，做電站至少一秒鐘打10次激光，激光要持續(xù)產(chǎn)生。二來涉及轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)在做到輸出能量和輸入能量相當(dāng)，做電站至少要輸出能量是輸入的百倍以上。現(xiàn)在只是實現(xiàn)了點火，下一步可能要尋求最優(yōu)的、最簡單的、性價比最高的方式去做商業(yè)。”
