美国科学家第二次核聚变能源突破，解释 - 彭博社

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施目标湾。摄影师：达米安·杰米森/劳伦斯利弗莫尔国家实验室/AP照片

一些世界上最富有的投资者已经涌入了针对科学中最大、最艰巨挑战之一的初创企业：核聚变。长期以来，核聚变一直被视为清洁且丰富能源的终极目标，核聚变是太阳提供能量的过程，通过巨大的引力将原子压缩在一起并释放它们的能量。2022年底，研究人员庆祝了一个长期追求的 科学里程碑，这是一个充满了令人困惑的技术挑战和对近期前景持怀疑态度的领域的进展的标志。

1. 里程碑是什么？

2022年12月，加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们将世界上最强大的激光聚焦在一个装满氢气的胡椒粒大小的钻石胶囊上。激光束释放了2.05兆焦的能量，引发了将氢气聚变成氦气并释放3.15兆焦的反应。这种差异略高于一兆焦，大致相当于手榴弹释放的能量。这一结果，被称为“点火”或净能量增益（意味着输出的能量比输入的多），是科学家们几十年来一直追求的成就。它表明受控核聚变的核心物理学问题已经被解决，创造了一种生产廉价、无碳电力的可能性。在几次不成功的尝试之后，同一实验室在7月份成功复制了这一成就。

2. 商业聚变有多近？

即使美国和其他政府提出了大胆的愿景和各种技术，最乐观的专家表示，我们距离第一座聚变发电厂向电网供电还有大约十年的时间。大多数人认为现在是20或30年后的事情。随着近年来科学的进步，聚变开始吸引新一类投资者，更多的私营公司加入了竞争。 投资激增，从2020年的约3亿美元增加到2021年的26亿美元。但在2022年又回落到5.21亿美元。

3. 有哪些技术？

聚变研究受益于超级计算、3D打印和超导磁体的进步。有不同的方法：

• 惯性约束：2021年12月的里程碑证明了这种方法——向充满氢的小球发射激光——是可行的。但反应异常短暂，不是发电厂通常使用的连续过程。而且至少目前来看，这些小球制作起来又昂贵又耗时。
• 磁约束：更广泛使用的方法利用强大的磁场来包含等离子体，即一种电荷超高温气体，以便它能够维持聚变反应。它需要比太阳还要热得多的温度，约1.5亿摄氏度（2.7亿华氏度）。大多数工作采用一个被称为托卡马克的苏联时代设计，它具有一个超冷却的、环形的室内来容纳等离子体，或者一个被称为扭曲磁场的变种。
• 其他替代方案：初创公司正在追求混合技术或他们自己独特的想法。加利福尼亚州的TAE Technologies是资金最充裕的公司之一，他们使用加速器将等离子体充满高能粒子，使其更容易管理。

4. 有哪些障碍？

聚变不会产生像裂变那样的高级核废料，裂变是自1950年代以来商业反应堆中使用的原子分裂替代形式，也是最初原子弹的动力来源。然而，聚变研究需要克服技术挑战，比如如何开发能够承受机器内原子粒子轰击的材料。目前还不清楚产生的能量将如何被利用并转化为电力。

5. 参与者有哪些？

有三个明显的群体：国家倡议、近三十多家私人初创企业以及由35个国家组成的、总额250亿美元的国际热核实验反应堆（ITER）。这个国际合作项目是历史上最大的研究项目，自2010年以来一直在法国努力建造一个巨大的示范机器。这是一个与太空竞赛规模相当的项目，当时美国和前苏联竞相建造巨大的火箭。初创企业最著名的支持者包括亚马逊创始人杰夫·贝索斯、微软创始人比尔·盖茨和Palantir的彼得·蒂尔。有一种观点认为，推动聚变将会带来科学进步，即使核心技术需要几十年才能实现。

6. 什么会表明进展？

磁约束项目尚未表现出净能量增益，ITER的托卡马克机器最早要到2025年才能开始运行。Commonwealth Fusion Systems计划在2025年启动其位于马萨诸塞州的机器。

参考书架

• 劳伦斯利弗莫尔国家实验室的网站。
• 彭博新能源基金会关于核聚变挑战的报告。
• 彭博的图表功能探讨了两种核聚变方法。
• 一个微小小部件如何拖延了世界上最大的科学实验。
• 一个关于使用裂变复兴核能的QuickTake。核能。
• 彭博观点专栏作家大卫·菲克林写道，核聚变研究人员离商业技术还有很长一段路。
• 一个核聚变科学家解释了为什么雄心勃勃的时间表很难实现。