核聚变：触手可及的无限清洁能源

加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施的美国科学家，有史以来第一次成功地产生了核聚变反应，从而获得了净能量增益。

预计美国能源部将于周二正式宣布这一突破。

该实验的结果将是数十年来寻求释放无限清洁能源的一大步，这种能源可以帮助结束对化石燃料的依赖。几十年来，研究人员一直试图重建核聚变——复制为太阳提供动力的能量。

以下是有关这种新形式核能的信息。

什么是核聚变，为什么它很重要？

核聚变是一个人造过程，它复制了为太阳提供动力的相同能量。 当两个或多个原子融合成一个较大的原子时，就会发生核聚变，这个过程会产生大量的能量作为热量。

几十年来，世界各地的科学家一直在研究核聚变，希望用一种新的能源来重建核聚变，这种能源可以提供无限的无碳能源——没有当前核反应堆产生的核废料。聚变项目主要使用氘和氚元素 - 两者都是氢的同位素。

一杯水加上一点氚，可以为一所房子供电一年。氚更稀有，也更具挑战性，尽管它可以合成制造。

“与煤炭不同，你只需要少量的氢，它是宇宙中最丰富的东西，”Carbon Direct首席科学家，劳伦斯利弗莫尔前首席能源技术专家Julio Friedmann说。“氢存在于水中，因此产生这种能量的东西是无限的，而且是干净的。

聚变与核裂变有何不同？

当人们想到核能时，可能会想到冷却塔和蘑菇云。但核聚变是完全不同的。

聚变将两个或多个原子聚变在一起，而裂变则相反;它是将一个较大的原子分裂成两个或多个较小的原子的过程。核裂变是当今世界各地核反应堆的动力。像聚变一样，分裂原子产生的热量也用于产生能量。

根据能源部的说法，核能是一种零排放的能源。但它会产生挥发性放射性废物，必须安全储存并带来安全风险。核熔毁虽然罕见，但在整个历史中都发生过，造成了广泛而致命的后果，例如福岛和切尔诺贝利反应堆。

核聚变不具有相同的安全风险，用于为其提供动力的材料半衰期比裂变短得多。

核聚变发电如何最终打开你家的灯？

产生核聚变有两种主要方法，但都有相同的结果。两个原子融合会产生大量的热量，这是产生能量的关键。这些热量可以用来加热水，产生蒸汽和转动涡轮机来发电 - 就像核裂变产生能量一样。

利用聚变能的最大挑战是维持足够长的时间，以便它可以为全球的电网和供暖系统供电。美国的成功突破是一件大事，但它的规模仍然远远小于产生足够的能量来运行一座发电厂所需的规模，更不用说数以万计的发电厂了。

“这是关于煮沸10壶水需要什么，”伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任杰里米·奇滕登（Jeremy Chittenden）说。“为了把它变成一个发电站，我们需要在能源方面获得更大的增益 - 我们需要它大大增加。

为什么美国能源部即将宣布的聚变反应导致净能量增益很重要？

这是科学家第一次成功地产生核聚变反应，从而产生净能量增益，而不是像过去的实验那样收支平衡。

虽然在商业上可行之前还有更多的步骤，但对于科学家来说，证明他们可以创造比开始时更多的能量是至关重要的。否则，开发它没有多大意义。

“这非常重要，因为从能源的角度来看，如果你没有得到比你投入的更多的能量，它就不能成为能源，”弗里德曼说。“先前的突破很重要，但这与有朝一日可以更大规模使用的能源不是一回事。

融合在哪里发生？

几个核聚变项目在美国、英国和欧洲。法国是国际热核实验反应堆的所在地，35个国家正在合作 - 包括主要成员中国，美国，欧盟，俄罗斯，印度，日本和韩国。

在美国，大部分工作都在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施中进行，该设施位于一座跨越三个足球场大小的建筑中。

国家点火设施项目通过所谓的“热核惯性聚变”从核聚变中产生能量。在实践中，美国科学家将含有氢燃料的颗粒发射到近200个激光器阵列中，基本上以每秒50次的速度产生一系列极快的重复爆炸。从中子和α粒子收集的能量被提取为热量。

在英国和法国的ITER项目中，科学家们正在使用配备巨型磁铁（称为托卡马克）的巨大甜甜圈形机器，试图产生相同的结果。燃料放入托卡马克后，其磁铁被打开，内部温度呈指数级升高以产生等离子体。

等离子体需要达到至少1.5亿摄氏度，比太阳核心的温度高10倍。然后中子逃离等离子体，撞击托卡马克壁上的“毯子”，并将其动能转化为热量。

接下来的步骤是什么？

科学家和专家现在需要弄清楚如何在更大范围内从核聚变中产生更多的能量。

与此同时，他们需要弄清楚如何最终降低核聚变的成本，以便它可以用于商业用途。

奇滕登说：“目前，我们正在为每一项实验花费大量的时间和金钱。”。“我们需要大幅降低成本。”

科学家还需要收集聚变产生的能量，并将其作为电力传输到电网。聚变需要数年甚至数十年的时间才能产生无限量的清洁能源，科学家们正在与时间赛跑，应对气候变化。

“这不会在未来20-30年内对气候减排做出有意义的贡献，”弗里德曼说。“这就是点燃火柴和建造燃气轮机之间的区别。