物理界的 Breaking News 來了！
科學家首次在聚變反應中，實現了淨能量增益——也就是說，聚變反應産生的能量，比注入的能量還多。
當地時間周二上午 7 點，美國能源部和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），共同官宣了這一裡程碑式的成果。
△圖源：美國能源部直播，美國能源部部長 Jennifer Granholm 講話
現在，美國能源部官方賬号的相關消息已經收獲了 4 萬 + 點贊和 1.4 萬轉發。
其實在美國能源部開直播前，就已有風聲傳出，然後迅速引來大波關注，在知乎上也引起了熱議。
陳怡然教授還評價稱：
這是個影響全人類的大新聞，讓大家離人造太陽邁進了一大步。
說到 " 人造太陽 "，實際從上世紀 50 年代起，科學家就開始想着試圖模仿太陽産生能量的 " 套路 "，即氫核聚變。
然鵝，核聚變過程本身也會消耗巨大的能量，我們卻沒有太陽那樣巨大的引力。
迄今為止，沒有任何其他研究者在核聚變反應中獲得了淨能量增益。
而就在 12 月 5 日，LLNL 的一次新實驗，卻終于書寫了曆史的新篇章：
官方數據顯示，LLNL 這次輸入的能量為 2.05 兆焦耳（MJ），在核聚變反應後的輸出能量約為 3.15 兆焦耳。
也就是說，能量增益高達約 150%。
怎麼做到的？
據知情人士透露，LLNL 的研究人員采用了一種名為慣性約束核聚變 （Inertial Confinement Fusion）的工藝。
所謂 " 慣性 "，簡單來說，就是在極短時間内對聚變反應中形成的等離子體增溫增壓，利用内部原子核自身的慣性，讓它們在向四周膨脹逸散之前就克服彼此之間靜電斥力，完成融合。
對了 ~ 關于什麼是 " 慣性約束核聚變 "，想要深入了解的友友們可以去看看量子位之前專門做的一期視頻。
話說回來，現在的一大主流加熱方式就是激光，在光束加熱作用下，顆粒等目标容器會向外爆炸。
在爆炸過程中，除了容器表層，其餘部分會産生反作用力，使其向内加速并壓縮裡面的燃料。
另外，這個過程還會産生大量沖擊波，壓縮并加熱中心的燃料，從而促使核聚變發生。
目前，世界最強大的激光點火裝置，是美國的國家點火設施（National Ignition Facility，NIF），已耗資約 35 億美元（約合人民币 244 億元）。
△圖源：LLNL
而本次實驗用到的激光裝置，正是 NIF。
研究人員用多達 192 道的激光束，照射處于輻射平衡态的空腔（hohlraum），也就是包裹着氘和氚，針頭大小的球狀顆粒。
通過激光作用，氘和氚的混合物形成了超熱氫等離子體。
另外，在反應過程中，産生的 X 射線炸開了原來的粒子，燃料層内爆，為核聚變的發生創造了條件。
最終在 NIF 的加持下，這次實驗産生了足夠多的熱量，并且這些熱量在燃料中傳播足夠快，使得輸出的能量超過了輸入。
△圖源：美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室
簡單來說，原料部分質量轉化成了能量——這個可以參考愛因斯坦提出的經典質能方程：E=mc ²。
意味着什麼？
要講清楚這個問題，還得從什麼是核聚變說起。
簡單來說，核聚變是指由兩個較輕的原子核，合成一個較重的原子核。
而核裂變則是指由一個重的原子核分裂成兩個或多個較小的原子。
聽到 " 核裂變 "、" 核聚變 "，大夥兒一般會想到原子彈和氫彈。
其實除此之外，核裂變還已經被用來發電——聽說過核電站吧？
在核電站中，利用核裂變反應産生的熱量來加熱水，然後水蒸汽會推動汽輪機，進而驅動發電機發電。不過，核裂變會産生大量輻射，放射性核廢料的處理也一直讓人頭疼。
相比起來，核聚變反應幾乎沒有碳排放，産生的長效放射性廢料也燒的多。從理論上講，一小杯氫燃料就足以給一棟房子供電數百年。
還有，核聚變燃料儲備量極為豐富——其主要燃料是氫的同位氘和氚。
之前的研究表明，海洋含有數億噸的氘，如果當核聚變發電成真，僅一升的海水，就能産生相當于 300 升汽油的能量。
而氚雖然本身比較罕見，但能通過自然界中極為豐富的锂元素來反應獲得，比較容易操作。
總而言之，核聚變供能具有特别香的 BUFF：既清潔又幾乎取之不盡。
對于 LLNL 的這項成果，英國國家統計局副局長 Arthur Turrell 感慨道：
這讓科學家們幾十年來的夢想終于成真了。
人們苦苦研究無碳清潔能源已有多時，該成果對于未來開發核聚變供能，有着重大意義。
一位科研工作者也表示：
這至少讓我們能知道，人工可控核聚變增益大于一（Q>1）是件可以做成的事情。
雖然目前這項成果離商業化落地還相距甚遠：真的有應用意義，至少 Q 要達到 10 以上；不過這仍然是一件振奮人心的事。
△圖源：知乎 @Quantum1024
還有網友甚至估算了核聚變發電商用時間：
如果速度能像之前核聚變領域其他實驗那樣，預計在 2050 左右就真的可以落地了。
△圖源：知乎 @樹樹
另外，據 Nature 報道，國際核聚變項目 ITER 的負責人 Time Luce 表示：
像這樣有影響力的成果，還能吸引人們對各種類型的核聚變産生更多興趣，投入更多精力去探索，對一般的核聚變研究也會産生積極影響。
最後，大膽開下腦洞——
如果核聚變供能真的成功商業化落地，那未來的核能汽車是不是加一次燃料就是用一輩子了？
參考鍊接：
[ 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
— 完 —
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