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核聚变突破：廉价清洁的能源终于来了吗？

《金融时报》的一份报告称，美国国家点火装置已经成功地实现了净能源增益的聚变反应，但这意味着什么？

一项突破性的聚变实验，仅有第二次实现净能源增益，而且比第一次成功尝试表现出更好的性能。但在你对即将到来的无限清洁能源时代感到兴奋之前，还有一些重要的注意事项需要记住。

聚变能源有什么好处？

今天的核能电站依赖于裂变反应，即将原子分裂以释放能量和更小的粒子。聚变的工作方式不同，是将更小的粒子挤压在一起形成更大的原子 - 这是我们太阳内部运行的相同过程。聚变可以创造更多的能量，而且没有放射性废物，但是控制这种反应的存在和控制已经被证明对物理学家和工程师来说是一个巨大的问题。

发生了什么，什么是点火？

2022年12月，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员实现了一个历史性的里程碑：他们从聚变反应中获得的能量比他们投入的要多。实验室的国家点火设施(NIF)聚变反应堆使用激光产生足够的热和压力，将氘和氚(氢的同位素)变成等离子体，从而可以发生聚变。这些激光输出了2.1兆焦的能量，但反应堆产生了约2.5兆焦，增加了大约20%。尽管这些数字远远不能满足商业反应堆所需的比率，但它为聚变反应堆是一个可行目标提供了重要的希望。

据报道，现在实验室已经创造了第二个点火 - 超过平衡点的反应，并且通过反应堆产生了大约3.5兆焦的能量。根据《金融时报》的一份报告，这次实验发生在7月30日。

“自从2012年在国家点火设施首次展示聚变点火以来，我们一直在进行实验，以研究这种令人兴奋的新科学状态。在7月30日进行的一项实验中，我们在NIF上重复了点火。对这些结果的分析正在进行中。根据我们的标准做法，我们计划在即将举行的科学会议和同行评审的出版物中报告这些结果，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一位发言人告诉《新科学家》。

这是否意味着聚变能源已经解决了？

简而言之，不是。

问题之一是，尽管反应堆的输出高于激光的输出，但激光本身效率非常低。为了创造2.1兆焦的能量，他们需要使用500万亿瓦特的功率，这比整个美国国家电网的输出还要多。因此，未来的一个重大挑战是创建一个符合其总能量需求的反应，而不仅仅是最终的激光阶段。

另一个问题是，NIF反应堆只能发射一次，在几十亿分之一秒内，然后必须花费数小时冷却其组件才能再次开启。商业反应堆将需要连续运行并进行多次点火。

当然，即使反应堆可以长时间运行并抵消激光的真实能源需求，它仍然只能实现平衡点。要使聚变成为一种可行的替代现有能源的选择，我们必须能够提取大量的净能量 - 足以使建造它的巨大成本变得有价值。

人们怎么说？

伦敦帝国学院的Jeremy Chittenden表示，大多数物理学家认为2021年LLNL的一项实验，证明了这种类型的反应堆无论输出如何都能够工作，是真正的里程碑。

他说：“去年12月的结果是我们第一次从中获得的比我们投入的更多的能量，所以那是更大的新闻故事。但是，从科学上讲，那只是他们展示的结果的一个后果。这基本上是那个记录产量的进一步放大。”

Chittenden表示，最新的进展来自于控制反应的时间更长，从而增加提取的能量量。目前，LLNL实验中只有少数燃料被燃烧。

他说：“这基本上是一个成功的示范，他们现在了解如何控制和保持等离子体存在更长时间并获得更多的能量。你必须点燃火柴的头部，让燃烧过程起作用，然后你只需要尽可能长时间地持有火柴，直到你的手指被烧伤。”

未来会解决聚变吗？

虽然还不可能确定，因为可能存在不可克服的问题，但比以往任何时候更有理由对此持乐观态度。点火里程碑有效地证明了科学是可行的，并使问题变成了工程问题，而不是物理问题。

有两种主要的研究方法旨在实现可行的核聚变。一种使用磁场来包含等离子体，而另一种使用激光。NIF使用第二种方法，即惯性约束聚变，在这种方法中，一个含有氢燃料的微小胶囊被激光轰击，导致其加热并迅速膨胀。但是，许多初创企业正在研究不同的设计，所有这些实验都有可能突破。所有这些实验都有助于我们更好地了解问题及其最佳解决方法。

尽管我们可能会从LLNL反应堆看到进一步的效率提高，但是需要进行基本变革才能使这样的设计商业化，Chittenden说道：“它本质上是低效的，因为它使用了这种间接方法，即将激光转换为X射线，这意味着我们必须加热比我们直接使用激光加热燃料所需的更多的材料。”

但是有一件事很明显：由于工作中的聚变反应堆至少还需要多年时间，我们不能指望这项技术解决气候变化危机。聚变反应堆可能是一项跨越一个多世纪的协调研究努力所获得的最大回报，但是短期和中期的清洁能源转型仍然需要大量努力和投资，包括提高能源效率、开发可再生能源、推广清洁能源技术等。

即使聚变技术最终能够商业化，它也不太可能成为唯一的解决方案。更可能的是，它将成为清洁能源组合的一部分，与其他技术如太阳能、风能、地热能等相结合，以满足全球日益增长的能源需求。

总之，聚变反应的突破是一个重要的里程碑，但仍需要大量的研究和发展，以实现商业化和大规模应用。我们需要继续推动清洁能源技术的发展，以减少对传统化石燃料的依赖，从而减少对环境的影响，并为未来的能源需求做好准备。

本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。

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