時隔7個月，核聚變再現凈能量增益
- 2023-08-08
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- 來源：能源雜誌
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8月6日，美國加利福尼亞勞倫斯·利弗莫爾（Lawrence Livermore）國家實驗室宣布，該實驗室的核聚變裝置——國家點火裝置在7月30日的實驗中，第二次在核聚變反應中實現了凈能量增益。
而僅僅就在7個月之前，2022年12月，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室就實現了人類歷史上第一次核聚變凈能量增益。
此番核聚變實驗的連續突破或許意味着核聚變技術進入了發展快車道。
連續突破
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室表示，此次核聚變實驗產生的凈能量比2022年12月的實驗數據更高。不過對於更多數據，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室並未公布，而且最終結果還在分析之中。
不過實驗室也表示會在未來的學術報告、公開會議等場合對實驗結果進行發布。
2022年12月，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的核聚變實驗引發了全世界的轟動。那是人類第一次在核聚變實驗中獲得凈能量增益。
在那次實驗中，研究人員輸入了2.05兆焦耳的激光能量，輸出了大約3.15兆焦耳——大約增加了50%，這表明顆粒中的聚變反應正在推動進一步的聚變反應。美國國家核安全管理局的Marvin Adams博士說：“產生能量所花費的時間比光傳播一英寸所花費的時間還少。”
《能源》雜誌在報道中詳細介紹了這一次實驗的情況。
這次實驗的成功也讓勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室、國家點火裝置獲得了更多的支持。2023年5月，美國能源部長Jennifer Granholm在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的一次公開活動上特別提及了國家點火裝置在2022年12月的成功試驗，稱其讓“核聚變有望成為負擔得起、豐富的、可靠的清潔能源”。更重要的是，Jennifer Granholm宣布為核聚變研究未來4年提供4500萬美元的聯邦資金。
要知道在此之前，國家點火裝置由於延期、成本超支等問題，屢次在財務上被國會議員諷刺為“國家無法點火裝置”。而核聚變研究得以延續，是因為美國需要在不進行爆炸實驗的情況下推進核聚變方面的研究。
去年12月的成功已經為美國核聚變和國家點火裝置續命，而現在連續重複實驗，不僅會讓美國投入更多資金在核聚變研究方面，更會讓核聚變這個本就火爆異常的概念進一步地風靡。
火爆的藍海
很難想象核聚變這樣一個冷門的學科現在正在成為資本熱捧的焦點。
2023年5月，總部位於華盛頓州埃弗雷特的Helion Energy宣布將會在2028年之前建成世界上第一座聚變發電廠。而且他們已經為自己的核聚變電力找到了第一個客戶——軟件巨頭微軟。雙方已經簽訂了電力購買協議。Helion Energy預計核聚變電廠投產後將在1年內實現至少50MW的發電能力。
Helion Energy的歷史已經有10年之久。今年年初大火的ChatGPT母公司OpenAI首席執行官Sam Altman在2021年11月就曾對Helion Energy投資3.75億美元。
Helion Energy 2028年建成第一座核聚變發電廠的目標在諸多核聚變初創企業中顯得極為鶴立雞群。大部分企業也只是宣布在2030年代初開始運營商業化發電廠。
與勞倫斯·利弗莫爾這類國家實驗室不同，初創核聚變企業在近兩年來開始成為投資者們矚目的焦點。
在全球進入碳中和時代之後，尋找能源終極解決方案就成為各方關注的焦點。核聚變這種類似於太陽功能方式不僅完全沒有碳排放，而且可以提供巨大的高溫能量。因此這個原本脫胎於氫彈的技術開始成為人類解決能源問題的重要路徑。各個國家的政策性支持成為企業不斷融資、喊出更為誇張口號的基礎。
《美國創新實現2050年氣候目標》中，就將聚變能源列為5個首要任務之一。2022年，美國發布《商業聚變能源十年發展規劃》，計劃建設首個核聚變發電廠。
另一家美國初創核聚變公司Commonwealth Fusion Systems已經募集了20億美元的資金，計劃在美國建立一座聚變反應堆SPARC，佔地將近47畝，預期在2030年代初期實現商業核聚變發電。
英國政府計劃到2040年通過球形托卡馬克（STEP）能源計劃以及由私營組織創造的其他聚變技術來展示核聚變的商業可行性。
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英國托卡馬克能源公司2022年公布了開發新型球形托卡馬克原型裝置ST80-HTS的計劃。如果ST80裝置2026年投運，將為建設中試聚變電廠提供關鍵信息，使該電廠可以在本世紀30年代初投運。
2023年，日本也敲定首個核聚變能源開發戰略方案，計劃推出企業參與研發實驗的核聚變反應堆，並爭取在2050年左右實現核聚變發電。
而就在勞倫斯·利弗莫爾實驗室再次重現核聚變凈能量增益之前的7月28日，由諾獎得主中村修二創立的核聚變初創公司Blue Laser Fusion（BLF）在種子輪融資中籌集了2500萬美元，該公司計劃2025年開發出第一個核聚變原型機，2030年在東京開發商業反應堆。
6月22日，德國政府宣布了推動國內核聚變發展研究的計劃草案。科學部長貝蒂娜·斯塔克-瓦青格表示，根據該提案，德國將支持目前正在開發的所有有前途的聚變技術，包括最近在美國取得突破但在歐洲尚未得到廣泛研究的激光技術路線。
德國初創公司Proxima Fusion正在開創革命性的仿星核反應堆，並雄心勃勃地計劃到2030年代建造一座聚變發電廠。
Proxima Fusion是馬克斯·普朗克物理研究所的子公司，已籌集700萬歐元用於開發創新的高性能仿星器，即磁約束聚變裝置。
商業化迫近？
然而儘管已經兩次出現核聚變實現凈能量輸出，世界各地的核聚變初創企業口號喊得震天響，各個國家也都在謀划核聚變的應用。但我們距離核聚變走進日常生活，可能還有一段距離。
在核聚變研究領域，有一個流傳多年的梗——“核聚變的突破，總是在下一個十年”。從1950年代可控核聚變作為民用技術開始研究，70多年的時間里核聚變總是被期待實現關鍵突破，為解決人類的終極能源問題而做出貢獻。但卻始終未能成行。
在沒有恆星極端引力的情況下，通過核聚變反應堆在地球上重現“人造太陽”會帶來諸多技術和工程挑戰。其中最大的挑戰是將等離子體中的離子溫度保持在1億攝氏度以上，將等離子體約束在一個磁場中並保持足夠長的時間，以便發生反應併產生能量。
截至目前，實現並長時間維持核聚變反應仍是重大挑戰。唯有開發出一種穩定可靠的核聚變發電方式，才能使之成為商業可行的能源。
2023年4月12日，中國“人造太陽”——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置實現溫態高約束模式等離子體運行403秒，創造了新的紀錄。此次EAST實驗成功實現了穩態高約束模式等離子體運行403秒的新的世界紀錄。這一突破有望對探索未來的聚變堆前沿物理問題產生重要意義，並提升核聚變能源經濟性、可行性，加快實現聚變發電。
中國在核聚變應用研究方面起步並不算早，但已經進入世界領先水平。根據《日經新聞》數據，在核聚變專利排名中，中國排名第一，領先於排名第二、三、四的美國、英國和日本。
6月，科技部黨組書記、部長王志剛帶隊赴合肥調研核聚變相關工作並就聚變能未來發展路徑研究召開專題座談會。
王志剛指出，核聚變能是人類未來終極能源，積極推進核聚變相關工作意義重大。當前國內正在探索的磁約束托卡馬克氘氚聚變、Z箍縮聚變裂變混合堆、磁約束球型環氫硼聚變等幾種技術路線，在研究基礎、建設進展、研究難點、預期節點等方面存在差異，處於研究開發的不同階段，各具優勢。
王志剛強調，下一步要聚焦核聚變工程、技術和方法研究，加速核聚變能源化利用進程。同時，加強原創性引領性科技攻關，強化制度保障和政策引導，加強配套技術研究，謀求未來競爭優勢，推動我國核聚變領域科技創新工作高質量發展。
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