核聚變能源：關於這一最新科學突破需要了解的內容 - 《華爾街日報》
Aylin Woodward
2018年，一位科學家在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置工作，科學家們在這裏實現了核聚變突破。圖片來源：handout/法新社/蓋蒂圖片社美國能源部週二表示，科學家在核聚變研究方面取得了突破性進展，這讓他們距離可能改變清潔能源的未來又近了一步。
位於加利福尼亞州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員已經研究核聚變十多年，該實驗室實現了被稱為聚變點火的里程碑。核聚變對研究人員、投資者和公司的廣泛吸引力源於其作為清潔能源替代品的潛力，可以替代涉及燃燒化石燃料和釋放温室氣體的能源。
儘管研究人員表示，核聚變的商業應用可能還需要數年甚至數十年的時間，但這項技術有朝一日可能有助於應對氣候變化。
以下是關於核聚變能源和最近突破需要了解的內容。
什麼是核聚變能源？它與核裂變有何不同？
聚變是兩個原子核結合形成一個更重的原子核的過程。目前的核電站通過裂變或將重原子分裂開來產生能量。
在勞倫斯利弗莫爾實驗室的國家點火裝置中，科學家們通過激光將含有氫原子的微小顆粒超高温壓縮。這種極端條件會形成等離子體狀態，在此過程中氫原子聚變成氦並釋放巨大能量。
能源部長詹妮弗·格蘭霍姆在華盛頓宣佈了這項聚變研究成果。圖片來源：Chip Somodevilla/Getty Images### 如何實現無限清潔能源？
聚變所需燃料儲量豐富，許多氫原子可從海水中提取。與核裂變不同，聚變不會產生長效放射性廢物或化石燃料燃燒產生的二氧化碳等温室氣體，其唯一副產品是惰性氣體氦。
國家點火裝置的研究人員取得了什麼突破？
科學家宣佈，12月5日的受控核聚變實驗首次實現能量淨增益，這種現象被稱為"點火"。
自2009年該設施運行以來，實現能量增益的聚變反應——這是將聚變轉化為實用能源的關鍵一步——始終未能突破。本次實驗產生了3.15兆焦耳聚變能，超出觸發反應消耗的2.05兆焦耳能量，首次實現淨能量增益。
核聚變能源有哪些優勢？
根據聯合國國際原子能機構數據，以可控方式使原子核聚變釋放的能量，比燃燒煤炭或天然氣多出近四百萬倍。
聚變反應堆還不會出現核裂變電站可能發生的堆芯熔燬風險，因為聚變產能不依賴鏈式反應。若聚變過程中出現任何擾動，等離子體會冷卻並停止反應。該機構稱，聚變反應產生的能量可達核裂變反應的四倍。
核聚變能源何時能普及？
儘管美國能源部近期投資5000萬美元建立公私合作機制以啓動聚變試驗工廠設計，但研究人員表示，核聚變能源商業化仍需數年甚至數十年時間。
羅切斯特大學激光能量學實驗室高級科學家喬納森·戴維斯説：“許多人喜歡用飛行作喻，這就像是萊特兄弟的飛機首次離地。而商業化聚變能源則相當於定期執飛全球客運航班。”
貝爾法斯特女王大學物理學教授賈恩盧卡·薩里（未參與此次突破）指出，首先需要解決技術難題。
其中包括勞倫斯利弗莫爾實驗室用於觸發聚變反應的激光器效率低下問題。戴維斯博士稱，這些激光器效率不足1%。國家點火裝置在近期實驗中消耗數百兆焦耳電力產生激光，僅獲得約3兆焦耳聚變能量——這些能量僅能燒開約10壺水。
“一個激光聚變發電廠需要每秒發射大約10次才能提供合理的電力輸出，”戴維斯博士説。
為什麼實現核聚變如此困難？
將多個氫原子核結合在一起並不容易——每個原子核都帶正電荷，因此存在一種自然力會排斥兩個原子，阻止它們融合。需要極高的温度和壓力來克服這種電斥力，使原子核能夠足夠接近並保持足夠長的時間以發生聚變。我們的太陽和其他恆星就是通過這一過程提供能量的；這些天體的巨大引力和極高温度創造了聚變發生的條件。
在地球上的實驗室中複製這些極端條件具有挑戰性。利弗莫爾實驗室的激光器幫助將氫原子加熱到超過1.8億華氏度的温度，並施加超過地球大氣壓1000億倍的壓力。
“這項實驗首次證明，這可以在實驗室環境中完成，而不是在恆星中，”英格蘭牛津附近盧瑟福·阿普爾頓實驗室中央激光設施的高級等離子體物理學家羅比·斯科特博士説，他並未參與最近的實驗。
50多個國家的研究人員正在進行核聚變和等離子體物理研究。
核聚變能源可以如何利用？
國際原子能機構表示，聚變可以用於商業發電。但根據白宮科技政策辦公室的説法，還可以開發其他潛在應用，如氫氣生產、海水淡化、二氧化碳直接空氣捕獲和電燃料生產。
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