天天即時：中國工程院院士杜祥琬談美“核聚變突破”：他們目的是研究核武器
12 月 15 日消息，美國能源部宣布，在加利福尼亞州的勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），研究人員首次在核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。
(資料圖)
人類探索核聚變已經(jīng)有幾十年的歷史，但長期以來聚變反應(yīng)總是無法實(shí)現(xiàn)凈能量增加，即消耗能量總是超過反應(yīng)產(chǎn)生的能量。
因此，美國宣布首次實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，旋即引發(fā)了科學(xué)界的轟動。有樂觀的議論認(rèn)為，一勞永逸地解決能源問題已經(jīng)出現(xiàn)曙光，核聚變有望數(shù)十年或更長時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，它將為人類帶來真正清潔、無限能量的能源。
美國激光核聚變成功點(diǎn)火，能否破解人類能源難題？
中國工程院院士杜祥琬接受鳳凰網(wǎng)采訪時表示，美國國家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不是給人類提供能源解決思路，而是核武器研究。
一、解決能源問題的曙光？
核聚變是模仿太陽的原理，使兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的原子核，結(jié)合期間釋放出大量能量。與化石能源相比，核聚變反應(yīng)不排放二氧化碳，與目前廣泛應(yīng)用的核能（核裂變）相比，它既不會產(chǎn)生核廢料，輻射也極少，因此被稱為清潔能源的“圣杯”。
此前，美國國家點(diǎn)火設(shè)施已進(jìn)行了多次核聚變實(shí)驗(yàn)，最好的成績是產(chǎn)出和投入能量比為 70%，仍然是凈能量損失。這一次的不同之處在于，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了大約 2.5 兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%，輸出能量大于輸入能源。
對此，美國能源部長詹妮弗?格蘭霍姆表示，美國首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)凈能量增益是一項(xiàng)“里程碑式的成就”，這項(xiàng)成果預(yù)計(jì)將可能幫助人類在實(shí)現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。
不過，相較于樂觀的美國專家們，中國工程院院士杜祥琬對這一實(shí)驗(yàn)成果保持了更謹(jǐn)慎的看法。他在接受鳳凰網(wǎng)采訪時表示，美國國家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)的凈能量增益，是科研上的進(jìn)展，但離產(chǎn)生上百倍的高增益目標(biāo)還差得很遠(yuǎn)，更不說提變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。
他還指出，美國國家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)康模皇墙o人類提供解決能源問題的思路，而是核武器研究。
據(jù)悉，美國國家點(diǎn)火裝置由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負(fù)責(zé)運(yùn)行，它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應(yīng)，并為美國核武器儲備的維護(hù)提供指導(dǎo)。
杜祥琬認(rèn)為，LLNL 的核聚變增益屬于聚變物理范疇，不太可能為人類能源問題提供解決思路。他解釋道，人們真正用于能源的核聚變，是一種非爆炸性的可控的核聚變。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，LLNL 核聚變反應(yīng)釋放了大約 3.15MJ 的能量，比進(jìn)入反應(yīng)的能量多大約 54%，是之前 1.3MJ 記錄的兩倍多。不過，雖然聚變反應(yīng)產(chǎn)生了超 3.15MJ 的能量，但 NIF 在此過程中消耗了高達(dá) 322MJ 的能量，大約是 3.15MJ 的 102 倍。
二、與美國相比，我國的“人造太陽”現(xiàn)在處于什么水平？
目前為止，人造太陽的途徑目前有兩個：一是磁約束核聚變，另一類就是此次成功點(diǎn)火的激光核聚變。
中國工程院院士杜祥琬向我們解釋了激光核聚變的原理。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）“國家點(diǎn)火裝置”的研究人員使用了 192 束激光，從兩端向一個圓柱體發(fā)射激光束將能量注入，而圓柱體中一個僅有半個氣槍 BB 彈大小的靶丸受到擠壓，球內(nèi)的氘氚聚變?nèi)剂媳弧包c(diǎn)燃”，產(chǎn)生出能量。
磁約束核聚變的具體應(yīng)用為托卡馬克裝置，通電后托卡馬克內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將懸浮其中的等離子體加熱到一個較高溫度，最終引發(fā)核聚變。
杜祥琬指出，對于兩種技術(shù)路線，學(xué)界主流認(rèn)識認(rèn)為，托卡馬克裝置的磁約束核聚變實(shí)現(xiàn)商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術(shù)途徑。
目前，全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），即采用了托卡馬克裝置。ITER 是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，同時是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目。
2006 年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目啟動協(xié)定。今年 11 月，中國負(fù)責(zé)的其中一個關(guān)鍵組成部分，增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁首件制造完工。
據(jù)介紹，中國核能發(fā)展實(shí)施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國磁約束核聚變技術(shù)的研究上已處于世界前列。
2021 年 12 月我國合肥東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了 1056 秒長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，是之前保持記錄的 2 倍還多；今年 10 月，中國新一代“人造太陽”HL-2M 等離子體電流突破 100 萬安培，創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，標(biāo)志著中國核聚變研發(fā)距離聚變點(diǎn)火邁進(jìn)了重要一步。
三、人類距離用上核聚變能源有多遠(yuǎn)？
無論是哪條技術(shù)路線，核聚變商業(yè)化廣泛應(yīng)用，將人造太陽變成現(xiàn)實(shí)，都預(yù)計(jì)仍需要很長時間。
LLNL 主任基姆?布迪爾（Kim Budil）表示，實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化可能需要數(shù)十年，核聚變技術(shù)還需克服諸多障礙，包括實(shí)現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點(diǎn)火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動程序系統(tǒng)等?！ 拔覀兊挠?jì)算表明，激光系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆焦耳的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的目標(biāo)是有途徑的?！钡覀儸F(xiàn)在離實(shí)現(xiàn)那個目標(biāo)還很遠(yuǎn)。”
杜祥琬表示，核聚變沒有原理性的障礙，但是技術(shù)比較困難。想要大規(guī)模使用聚變能，最大的挑戰(zhàn)是要有高密度高溫的條件，需要反應(yīng)維持足夠長的時間，并且科學(xué)家們能夠大幅降低他們的成本?！拔覜]有聚變專家那么樂觀，但實(shí)現(xiàn)地球上造一顆人造太陽，本世紀(jì)是可以看到的?！?/p>
杜祥琬還指出，可控核聚變能夠多廣泛應(yīng)用在人類的生活和工作中，取決于它多經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)在全球科學(xué)家都還在努力探索。不過，可控核聚變獲取能源也只是人類探索清潔和可持續(xù)能源的出路之一，其他的可持續(xù)和清潔能源同樣可以研究和利用，如太陽能、風(fēng)力、水力、地?zé)岬饶茉础?/p>
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