美国宣布核聚变能源研究取得“突破” 但无法立刻使用

12月13日，据美国之音报道，美国能源部周二（12月13日）宣布，该部的科学家已经能够设计出一种核聚变反应，该反应产生的能量超过所消耗的能量。这是数十年来寻找产生清洁和无废料核电方法的里程碑式的成就。

该实验是在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室进行的。

“对于国家点火设施（National Ignition Facility）的研究人员和工作人员来说，这是一项具有里程碑意义的成就，他们的职业生涯致力于实现聚变点火，这一里程碑无疑将激发更多的发现，”美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）在一份声明中说。

这一消息发布之际，拜登政府已将更新的努力和资金用于发展清洁发电，并且特别强调了聚变能源。最近美国通过的《降低通货膨胀法》为该领域的研究提供了大量资金。

仅仅因为科学家已经能够设计出一种能量增益的聚变反应，并不意味着人类发电方式的任何有意义的变化即将到来。专家表示，虽然这项工作很重要，但大规模部署聚变能源系统的方式中，仍然存在严峻的技术障碍。

漫长的历程

科学家们早就知道，当两个原子融合在一起形成新元素时，会释放出大量的能量。例如，太阳本质上是一个巨大的聚变反应堆，其中超热的粒子以巨大的力量聚集在一起，形成新的粒子并以热量的方式释放出多余的能量。

早在1940年代，科学家们就开始试验聚变反应堆。虽然它们长期以来一直能够产生聚变反应，但直到现在，这些反应总是需要输入超过它们最终所产生的能量。

净能量增益聚变反应之所以如此难以捉摸，其原因在很大程度上是因为科学家必须在实验室中产生极端条件才能使反应发生。通常，需要使用巨大的激光器将氢的同位素加热到数百万摄氏度的温度。然后，产生的等离子体被限制在极高的压力下，导致同位素以足够的力量聚集在一起，使它们融合成不同的元素。当它们融合成不同的元素时，则以热量的形式释放出能量。

巨大的工程技术挑战

维护能够承受这种极端温度的设备非常困难，找到一种方法来制造出能够长时间承受这一过程中涉及的应力的反应器，是该领域研究人员面临的众多挑战之一。

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）核科学与工程教授伊恩·H·哈钦森（Ian H. Hutchinson）表示，重要的是不要过多地解读初步的报告。他还指出，在正式宣布之前，很少有人知道国家点火设施（NIF）的科学家取得的成就的细节。

“这似乎是惯性聚变点火的一个重要科学证实，但我不愿称其为‘突破’，”哈钦森在与美国之音的电子邮件交流中说。“国家点火设施项目的目标不是聚变能源的生产，而是要了解聚变爆炸。微型聚变爆炸中的有用能源生产仍然面临巨大的工程挑战，我们不知道这些挑战是否最终可以被克服。”

国家点火设施与美国的核武器项目关系最为密切，其主要目的是在小范围内可控地重现核爆炸，从而可以在不需要破坏性全面试验的情况下维持美国的核武库。

核聚变的益处

科学家们花了这么多年时间寻找一种使聚变反应堆可行的能源来源的方法，是有好几个原因的。

如果聚变反应堆取代化石燃料作为能源，它将大大减少释放到大气中的碳的含量，能够减少全球变暖的一个来源。

与使用铀和钚等高浓缩放射性物质作为燃料的裂变反应堆不同，聚变反应堆理论上可以由氢作为燃料，氢是宇宙中最丰富的元素；这意味着聚变反应堆的燃料供应基本上是无限的。

此外，与裂变反应堆不同，聚变反应堆不会产生高放射性废料，因此无需安全储存这些危险的材料。在某些情况下，放射性材料甚至会在数千年里持续具有危险性。

再者，尽管发生聚变需要极端的条件，但聚变反应堆被认为比裂变反应堆更安全；裂变反应堆必须不断地监测，以避免导致不稳定和爆炸的条件。历史上最严重的两次核灾难，一是1986年苏联的切尔诺贝利核设施爆炸，再就是2011年日本福岛核设施爆炸，迫使数千人撤离。灾难使得这两个国家大片的地区无法居住。