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观点:聚变成功对未来意味着什么?

唐·林肯是费米国家加速器实验室的资深科学家。他是几本面向普通读者的科学书籍的作者,包括最畅销的有声书《万物理论:解释所有现实的探索》。他还制作了一系列科学教育视频。本评论仅代表他个人观点。



12月5日,超强激光被发射到一个胡椒粒大小的颗粒上,其中含有氘和氚的混合物——这是为太阳提供动力的燃料的组成部分。192个激光将这个bb大小的小天体加热到比太阳中心还热的温度,在不到一秒的时间里,一颗人造小恒星形成了。然后,很快,它就消失了。这一技术上的胜利是数千名研究人员数十年努力的结果。

这一壮举是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完成的。请注意,这并不是研究人员第一次在实验室中观察到核聚变,但这是第一次使用这种技术,这个过程超过了“收支平衡”,这意味着聚变元素释放的能量比激光提供的能量更多。

这是科学上的里程碑式的一步,也是一项了不起的技术成就。自20世纪30年代科学家首次观测到核聚变以来,人们已经知道它可以提供基本上无限的能量。而且,在这个关注全球变暖和气候变化的时代,它是一种无碳技术,这一点尤其重要。

当核聚变在商业上可行时,人类的能源需求将在可预见的未来得到满足。而且,作为锦上添花的是,核聚变发电厂不能像切尔诺贝利或福岛核电站那样发生意外辐射泄漏。能源和安全是一个很好的组合。

现在,这项最新的成就并不意味着核聚变发电厂就在眼前。虽然在这个过程中释放的能量比激光提供的能量多50%,但这只是能量预算的一部分。当考虑到为实验提供动力的所有设备时,核聚变过程中释放的能量仅占所用总能量的1%左右。在实现能源丰富的乌托邦之前,还有一些重大的技术问题需要解决。毕竟,单个脉冲不是一个发电站——这个过程必须一次又一次地重复。工程师们需要建造一个能够经受住核聚变发生器产生的中子浴的安全壳结构。我们必须控制预期。

那么,未来会带来什么呢?嗯,这取决于我们。将核聚变技术发展到某一天能够为电网供电的程度,需要持续的努力。如果我们给予核聚变研究人员所需要的支持,毫无疑问,有一天他们将把这一最新进展转化为一种有用的、非常强大的能源。

为了理解我们如何才能达到我们想要达到的目标,我们需要回顾过去。这项最近的技术成就并非一蹴而就。这是半个世纪努力的结果。科学家们把他们的职业生涯,甚至他们的生命都奉献给了努力实现这一目标。1957年,约翰·努科尔斯(John Nuckolls)首次提出用激光来制造聚变反应堆,但这个想法在当时只是一个白日梦。

在过去的65年里,研究人员开发了必要的技术,如果没有政府的持续支持,这是不可能实现的。在美国,核能研究的主要资助机构是能源部(DOE),它资助了许多国家实验室,其中一些实验室正在进行核聚变研究,以及许多美国顶尖大学的一系列研究项目。此外,商业公司也在研究这个问题,但大部分的支持都来自能源部。(完全披露:我是美国能源部实验室的高级科学家,但不是从事核聚变研究的实验室。)

国家点火设施从来没有打算成为一个商业发电厂。它被设计成一个科学设施,这意味着可靠性和多功能性是重要的设计考虑因素。目标是利用该系统的多功能性来发展激光诱导聚变技术。而且,虽然最近的成功证明了激光诱导聚变是一条可能的前进道路,但其他技术障碍仍然存在。研究人员已经迈出了一大步,但这一旅程尚未完成。商业核聚变反应堆将需要更多的努力和投资,而且还需要几十年的时间。

核聚变不是明天的绿色技术——为此我们需要太阳能、风能和核裂变——但它是未来。核聚变所能产生的能量远远超过了其他替代方案。核能释放的能量是其他形式能量的数百万倍,核聚变比核裂变更强大——这就是为什么氢弹比原子弹更具破坏性。

鉴于寻找未来清洁能源的迫切需要,我认为核聚变研究必须得到稳定和充分的支持。自20世纪90年代中期以来,美国政府每年提供约5亿美元的年度预算(按今天的美元计算)。虽然这听起来是一大笔钱,但与政府对化石燃料行业的直接补贴相比,这微不足道。政府对化石燃料行业的直接补贴每年达205亿美元,有人估计,间接补贴要高得多。如果核聚变科学界能得到这样的资金支持,那么核聚变发电厂很可能在今天成为现实。

我们祝贺核聚变最近的成功,并期待看到他们下一步的成果。


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