华尔街日报:美国核聚变研究实现突破,解锁:无限能源

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美国能源部周二表示,供职于一个联邦研究机构的科学家在核聚变研究方面取得突破性进展;人们长期以来一直认为核聚变有可能提供几乎无限的清洁能源。

美国能源部长格兰霍姆(Jennifer Granholm)和其他政府官员出席在能源部位于华盛顿特区的总部举行的新闻发布会时说,在位于加州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory),一次受控核聚变反应所产生的能量超过了所消耗的能量。

美国能源部称,实现“核聚变点火”是前所未有的里程碑式成就。

格兰霍姆说:“看起来美国会在这方面领先,而我们也才刚刚开始。”她还表示,该突破“将被载入史册” 。

在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室价值数以十亿美元计的国家点火设施(National Ignition Facility),研究人员逾10年来一直在研究核聚变,利用激光创造使氢原子聚合并释放大量能量的条件。自该设施2009年开始运作以来,科学家们此前一直未能实现一个目标,即让核聚变反应产生的能量大于所消耗的能量——这是把核聚变转化为切实可行的能量来源的关键步骤之一。

不过,12月5日在该实验室进行的一次实验中,研究人员输入了2.05兆焦耳的能量,最终产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出。

研究人员说,上周一(12月5日)凌晨1点刚过,他们将世界上最大的激光束射向一个微型圆柱体,圆柱体里面是一个含有氢同位素的钻石胶囊。一瞬间,激光束释放能量的功率超过整个美国电网,试图压缩该胶囊中的燃料,以达到比太阳中心更高的密度、温度和压力。在“点火”后的瞬间,研究人员并不确定发生了什么。

“点火发射。整个过程只需几十亿分之一秒,所以我们需要一套精细的诊断装置来测量发生了什么,”该项目的首席实验员Alex Zylstra说。“随着数据开始呈现,我们看到了第一个迹象,表明此次实验产生的核聚变能量输出超过了激光输入的能量。”

马德里国立远程教育大学(National Distance Education University)的工程教授Rafael Juarez Manas博士说,核聚变对研究人员、投资者和企业的整体吸引力在于,它有可能替代涉及燃烧化石燃料和释放温室气体的传统能源来源——在能源和气候危机迫近之际,这是一个适时的目标。Rafael Juarez Manas博士没有参与最近这次实验。

现有的核电站约占全球发电量的10%,它们通过核裂变发电,即分裂铀等重原子来产生能量。

核裂变产生的放射性废料可以持续数千年。核聚变不会产生这种废料,也不会产生二氧化碳和其他温室气体。而且为聚变反应提供燃料的氢原子基本上是无限的。

但据核聚变研究人员说,这种技术可能仍然需要几年甚至几十年的时间才能商用。

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这幅由国家点火设施提供的原理图展示了一个位于环空器舱内的目标颗粒,激光束从两端的开口进入。
图片来源:LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY/ASSOCIATED PRESS

贝尔法斯特女王大学(Queen's University Belfast)的物理学教授Gianluca Sarri说,现在谈论建造核聚变发电厂还为时过早。他还表示:“在这成为一种能源之前,仍有一些技术问题需要解决。”他没有参与这项新的研究。

Sarri说:“我们仍然无法获得电能。”

罗切斯特大学(University of Rochester)激光能量学实验室的高级科学家Jonathan Davies表示,国家点火设施的激光的效率不到1%。该设施使用数百兆焦的电力,产生的激光可产生约3兆焦的聚变能量。

Davies说:“一座激光核聚变发电厂必须每秒发射10次,才能提供合理的电力输出。”

能源部国家核安全局负责国防项目的副局长Marvin Adams说,这一突破可以加强美国在不借助核试验的情况下确保其核武器可靠性的努力。

美国自1992年以来一直遵守规定暂停核试验,并依靠大量实验和计算机模拟程序来评估武器的可靠性。其中一些工作是在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的点火设施中进行的。

虽然美国与其他185个国家一起签署了《全面禁止核试验条约》(Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty),但该国从未批准过该条约。条约的一些反对者认为,有朝一日可能有必要进行核试验。

“现在我们正产生更多核聚变能量,且这次核聚变点火的状态更像热核弹中心的状态,”哈佛大学核专家、前白宫官员的Matthew Bunn表示。“而这或许会让我们对我们的核武器在不进行核试验的情况下发挥作用更有信心了。”

世界各地的聚变研究人员使用各种方法来触发和控制受控核聚变反应。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室使用近200台激光器加热和压缩氢原子,使其温度超过华氏1.8亿度,并使其压力达到地球大气压的1,000亿倍以上。这些极端状态会创造一种被称为等离子体的物质状态,氢原子会在其中发生聚合。太阳和其他恒星的能量就来源于同样的过程。

英国牛津附近卢瑟福·阿普尔顿实验室(Rutherford Appleton Laboratory)中央激光设施(Central Laser Facility)的高级等离子体物理学家Robbie Scott说:“这项实验首次表明这可以在实验室环境、而非一颗恒星上完成。”

Scott说,对于全球聚变能源界来说,做到这个程度是经过了漫长而艰难的努力。但他表示,他从未怀疑过实现聚变点火的可能性。Scott在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室工作过一年,但没有参与最近的这项实验。

他还表示:“竟然能走到这一步,真是太棒了,因为这是一项真正的开创性成果。”

尽管面临科学和工程方面的挑战,私人投资者一直在向这个新兴行业投入巨资。

根据核聚变工业协会(Fusion Industry Association)的数据,超过30家公司(其中大部分位于美国)正在推动核聚变商业化,并且已累计筹集超过50亿美元资金。这些公司正在努力争先,不仅要打造净能量机器,而且要通过向电网输送电厂规模电力来实现这些机器的商业化。

能源咨询公司Veriten和Segra Capital Management的核能专家Brett Rampal说,净能量很了不起,但净能量不是净能源。虽然许多公司表示其可以更快地达到里程碑,但Rampal预计,一些拥有原型样机的私人核聚变公司有望在十年内实现净能源,之后的五到十年里,可能会出现一些商业产品的演示。

尽管如此,核聚变公司仍为国家点火设施取得的进展欢呼喝彩,认为这是实现净能量的一个关键里程碑。

聚变公司TAE Technologies的首席执行官Michl Binderbauer说:“这是验证理论的关键一步,支持了我们在聚变能源领域不断增长的工作。”该公司已经筹资12亿美元。

Commonwealth Fusion Systems LLC的首席执行官兼联合创始人Bob Mumgaard表示,该净能量结果是对核聚变行业的一个验证。Mumgaard称:“这些令人兴奋的成绩是多年工作的结果,证明聚变科学是值得投资的。” Commonwealth Fusion Systems是从麻省理工学院(MIT)分拆出来,已筹集了超过18亿美元资金。

 
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