核聚變能源何時能投入使用？關注這三個關鍵數字 - 《華爾街日報》

核聚變實驗為獲取近乎無限的清潔能源提供了可能。圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室/法新社/蓋蒂圖片社美國能源部上週宣佈在核聚變研究領域取得突破，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一次受控反應產生的能量超過了其消耗的能量。

核聚變有望提供幾乎無限的清潔能源。這一突破需要多久才能兑現承諾？要了解這一點，有必要知道核聚變科學和經濟學中代表關鍵"盈虧平衡點"的三個簡單數字。

第一個點被稱為科學盈虧平衡——即聚變反應產生的能量超過最初引發反應所消耗的能量。12月5日利弗莫爾實驗室的實驗首次突破這一閾值。這意義重大，但只是三個里程碑中的第一個。

最近的核聚變突破讓人想起恩里科·費米開創性的核裂變反應堆研究。圖片來源：牛津科學檔案館/蓋蒂圖片社第二個是工程盈虧平衡，即整個聚變反應堆產生的能量超過其消耗的能量。要成為實用的能源，需要的是淨產出而非淨消耗能源的設施。最近的實驗遠未達到這一目標。

實現核聚變部署還需要達到第三個里程碑，即經濟或商業上的盈虧平衡點，屆時核聚變發電設施的運營成本將比其他能源更具效益。

那麼近期消息公佈後，我們處於什麼階段？

如今的核電站採用核裂變技術：通過分裂大原子釋放能量（同時產生長壽命放射性廢物）。而核聚變則是將兩個小原子加熱至足夠高温使其融合，從而產生能量。

核聚變是包括太陽在內的恆星能量來源。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等機構正嘗試在地球上覆現這一現象——用全球最強激光系統轟擊一顆近乎完美的超光滑鑽石膠囊，壓縮內部的氫原子。

通常用簡單的Q值比來評估科研進展：釋放能量除以輸入能量。Q值小於1表示反應消耗能量多於產出，大於1則意味着能量淨增益。

在最新實驗中，科學家輸入2.05兆焦耳能量，輸出了3.15兆焦耳。Q值為3.15除以2.05，約1.5。

核聚變實驗旨在復現恆星能量產生過程。圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室/美聯社劍橋大學核能工程師託尼·羅斯通稱此里程碑為"驗證可行性"階段，堪比1942年物理學家恩里科·費米首次實現核鏈式反應——該突破最終催生了全球數百座核裂變反應堆，如今供應着全球10%的電力。

如果一種反應產生的熱量超過其消耗的熱量，難道不能通過重複實驗來創造無限能量嗎？羅爾斯通先生表示，實際操作中的挑戰巨大。他説，激光需要每秒發射多次，同時那些完美的小鑽石膠囊也需要每秒精準插入和定位數十次。

更大的障礙在於第二個Q值，即工程收支平衡點。近期突破背後的科學家們謹慎地澄清，特定反應產生的能量確實超過了其消耗的能量，但整個反應堆並未實現這一點。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室武器物理與設計項目主任馬克·赫爾曼告訴記者，為了產生3.15兆焦耳的能量，實驗室消耗了約300兆焦耳的能量來發射激光。

即使不是物理學家也能看出，這遠非可行的能源來源。整個反應堆的Q值約為0.01——大約是收支平衡點的1%。

“激光的設計初衷並非追求效率，”赫爾曼先生説，“而是為了提供儘可能多的能量，以便在實驗室中創造這些極端條件。”

普林斯頓等離子體物理實驗室首席研究官喬納森·梅納德表示，這意味着科學家需要將技術提升100倍。

未來聚變實驗中需要關注的是，這個工程Q值是否會逐步趨近於1，還是依然微乎其微。

希望依然存在。隨着時間的推移，激光效率已逐漸提高，用更少的電能就能產生相同的光功率。（這一現象有個令人愉悦的低技術術語——“壁插效率”。）

此外，利弗莫爾的科學家們表示，他們實驗中的鑽石膠囊存在缺陷，而進行該實驗的國家點火設施的建造始於20多年前。“這項技術是80年代和90年代的技術，“實驗室慣性聚變能源機構倡議負責人譚米·馬説。

“如果在聚變效率上提升10倍，在整體效率上再提升10倍，粗略計算就能獲得100倍的增益，“梅納德博士説，“這將接近盈虧平衡點。這兩點在理論上都是可能實現的。“他表示，在政府支持下，這可能需要一二十年的時間。“我們應該朝這個方向努力，並全力推進，“他補充道。

接下來是最終挑戰：經濟或商業層面的盈虧平衡。一旦聚變反應堆產生的能量超過其消耗，它們是否真的值得建造？或者説其他能源是否會更便宜？

這將取決於化石燃料等其他能源的價格走勢。梅納德博士指出，即使聚變能比某些替代能源更昂貴，他認為它仍將發揮重要作用。例如，即便電池系統得到改進，太陽能和風能仍主要在日照和風力充足時最有效，而聚變電廠可以在其他時段啓動以填補缺口。

“要實現其成為實用能源，還需要更多技術進步，“他説。但他認為這依然令人振奮：“我希望人們能對這項極富挑戰性的工作感到興奮——在地球上造出一顆星星。”

寫信給喬什·祖姆布倫，郵箱：[email protected]

刊登於2022年12月17日印刷版，標題為《三個數字是核聚變潛力的關鍵》。