核聚变反应能量增益首次实现！人类有望进入更高层次文明

转自 公众号量子位，作者 Alex

物理界的Breaking News来了！

科学家首次在聚变反应中，实现了净能量增益——也就是说，聚变反应产生的能量，比注入的能量还多。

当地时间周二上午7点，美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），共同官宣了这一里程碑式的成果。

现在，美国能源部官方账号的相关消息已经收获了4万+点赞和1.4万转发。

其实在美国能源部开直播前，就已有风声传出，然后迅速引来大波关注，在知乎上也引起了热议。

陈怡然教授还评价称：这是个影响全人类的大新闻，让大家离人造太阳迈进了一大步。

说到“人造太阳”，实际从上世纪50年代起，科学家就开始想着试图模仿太阳产生能量的“套路”，即氢核聚变。

然鹅，核聚变过程本身也会消耗巨大的能量，我们却没有太阳那样巨大的引力。迄今为止，没有任何其他研究者在核聚变反应中获得了净能量增益。

而就在12月5日，LLNL的一次新实验，却终于书写了历史的新篇章：官方数据显示，LLNL这次输入的能量为2.05兆焦耳（MJ），在核聚变反应后的输出能量约为3.15兆焦耳。

也就是说，能量增益高达约150%。

怎么做到的？

据知情人士透露，LLNL的研究人员采用了一种名为惯性约束核聚变 （Inertial Confinement Fusion）的工艺。

所谓“惯性”，简单来说，就是在极短时间内对聚变反应中形成的等离子体增温增压，利用内部原子核自身的惯性，让它们在向四周膨胀逸散之前就克服彼此之间静电斥力，完成融合。

对了~关于什么是“惯性约束核聚变”，想要深入了解的友友们可以去看看量子位之前专门做的一期视频。

话说回来，现在的一大主流加热方式就是激光，在光束加热作用下，颗粒等目标容器会向外爆炸。

在爆炸过程中，除了容器表层，其余部分会产生反作用力，使其向内加速并压缩里面的燃料。

另外，这个过程还会产生大量冲击波，压缩并加热中心的燃料，从而促使核聚变发生。

目前，世界最强大的激光点火装置，是美国的国家点火设施（National Ignition Facility，NIF），已耗资约35亿美元（约合人民币244亿元）。

而本次实验用到的激光装置，正是NIF。

研究人员用多达192道的激光束，照射处于辐射平衡态的腔体（hohlraum），也就是包裹着氘和氚，针头大小的球状颗粒。

通过激光作用，氘和氚的混合物形成了超热氢等离子体。

另外，在反应过程中，产生的X射线炸开了原来的粒子，燃料层内爆，为核聚变的发生创造了条件。

最终在NIF的加持下，这次实验产生了足够多的热量，并且这些热量在燃料中传播足够快，使得输出的能量超过了输入。

简单来说，原料部分质量转化成了能量——这个是符合质能守恒定律的，可以参考爱因斯坦提出的经典质能方程：E=mc²。

什么是核聚变？

要讲清楚这个问题，还得从什么是核聚变说起。

简单来说，核聚变是指由两个较轻的原子核，合成一个较重的原子核。

而核裂变则是指由一个重的原子核分裂成两个或多个较小的原子。

听到“核裂变”、“核聚变”，大伙儿一般会想到原子弹和氢弹。

其实除此之外，核裂变还已经被用来发电——听说过核电站吧？

在核电站中，利用核裂变反应产生的热量来加热水，然后水蒸汽会推动汽轮机，进而驱动发电机发电。不过，核裂变会产生大量辐射，放射性核废料的处理也一直让人头疼。

相比起来，核聚变反应几乎没有碳排放，产生的长效放射性废料也烧的多。从理论上讲，一小杯氢燃料就足以给一栋房子供电数百年。

还有，核聚变燃料储备量极为丰富——其主要燃料是氢的同位氘和氚。

之前的研究表明，海洋含有数亿吨的氘，如果当核聚变发电成真，仅一升的海水，就能产生相当于300升汽油的能量。

而氚虽然本身比较罕见，但能通过自然界中极为丰富的锂元素来反应获得，比较容易操作。

总而言之，核聚变供能具有特别香的BUFF：既清洁又几乎取之不尽。

对于LLNL的这项成果，英国国家统计局副局长Arthur Turrell感慨道：

这让科学家们几十年来的梦想终于成真了。

人们苦苦研究无碳清洁能源已有多时，该成果对于未来开发核聚变供能，有着重大意义。

一位科研工作者也表示：这至少让我们能知道，人工可控核聚变增益大于一（Q>1）是件可以做成的事情。

虽然目前这项成果离商业化落地还相距甚远：真的有应用意义，至少Q要达到10以上；不过这仍然是一件振奋人心的事。

还有网友甚至估算了核聚变发电商用时间：如果速度能像之前核聚变领域其他实验那样，预计在2050左右就真的可以落地了。

另外，据Nature报道，国际核聚变项目ITER的负责人Time Luce表示：像这样有影响力的成果，还能吸引人们对各种类型的核聚变产生更多兴趣，投入更多精力去探索，对一般的核聚变研究也会产生积极影响。

意味着什么？

任何技术进步，最困难的是从0到1，这一过程通常来说，时间预期无法预测，但现在该实验走出了这一步。就目前而言，仅仅只是在反应堆中短暂的释放能量，但在技术创新领域，这是向下一个技术阶段，甚至是工业化，迈出了一大步。这一步就像是一群蜷缩在东非草原上的早期智人，在黑暗的冬夜，通过有计划的筹备，和对大自然规律的理解，在一个没有人记得的洞穴，点燃了人类史上第一把火。

这项伟大发明的重要性怎么形容都不为过，对人类的影响超过以往任何科技发明。相当于人类从此拥有无限量供应并且跟空气和自来水一样极其便宜的清洁能源。这将颠覆目前各行各业并产生大量新产业，彻底改变人类传统生活方式，给全人类带来更加轻松，更加美好、健康的生活。每个人有更多职业选择的机会，不带来直接经济效益的个人爱好得到极大发挥。从今以后，人类历史或进入一个真正的黄金时代。

目前这项伟大发明只是实现了由0到1的突破，无法就商业应用前景和具体日程做出准确的评估；但这次实现了人类长期以来梦寐以求的突破，商业化应用绝对不会遥遥无期。可控核聚变发电一旦技术成熟，普及到市场领域，最直接的变化时，全世界的所有工业自动化进程将突飞猛进，绝大多数商品的生产成本断崖式下降。可控核聚变有望重塑所有的工业、农业、服务业，也会完全改变我们的生活方式。

更令人激动的是，基于可控核聚变技术的核聚变引擎，可以将人类送往更广阔的太空之中，最终将人类带入星际文明。

参考链接：

[1]https://www.youtube.com/watch?v=Eke5PawU7rE

[2]https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7

[4]https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/index.html

[5]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7?shareType=nongift

[6]https://www.theverge.com/2022/12/12/23505416/nuclear-fusion-scientific-breakthrough-how-to-watch-announcement-biden

[7]https://www.zhihu.com/question/571894946