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人类核聚变取得突破性进展：什么是核聚变？为什么如此重要？

核聚变


人类核聚变取得突破性进展：什么是核聚变？为什么如此重要？

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新浪科技讯 北京时间12月14日上午消息，据报道，当地时间周二，美国能源部（DOE）宣布，研究人员在核聚变方面取得历史性的突破，首次从一个实验性核聚变反应堆中实现了“净能量增益”，这让许多人对未来生成更多的清洁能源充满了希望 。
这一突破是由美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）“国家点火装置”（NIF）研究人员在12月5日取得的 。对许多人来说，核聚变可能是一个新概念，但自20世纪40年代以来，科学家们就一直在研究它 。但是，研究人员却面临着一个严峻的挑战：如何生产出更多的能量（高于所消耗的能量），这几乎是一个不可逾越的挑战，直至今日 。
这一次，研究人员向目标输入了2.05兆焦耳的能量，最终产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，即产生的能量较输入的能量高出50%多 。这也是研究人员首次在实验中取得有意义的能量增长 。
什么是核聚变呢？
核聚变就是两种较轻的元素结合在一起，形成较重的元素的过程 。这与太阳提供能量的方式相同，即氢原子的质子在核心以令人难以置信的高温猛烈碰撞，融合在一起产生氦原子 。
在地球上，核聚变是通过融合元素氘（重氢）和氚（超重氢）来实现的 。氘的含量非常丰富，可以在水中找到，尤其是海洋中 。而氚的含量较低，主要存在于我们的大气中，是宇宙辐射的结果 。此外，氚也可以在核爆炸中产生，是核反应堆的副产品 。
太阳的巨大引力使它能够聚变氢原子，但要在地球上创造聚变，科学家需要施加大约1亿摄氏度的极高压力和温度，即比太阳核心温度高10倍 。
虽然有不同的方法来尝试产生核聚变，但劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）“国家点火装置”（NIF）的研究人员使用了192束激光，聚焦在一个圆柱体的内壁上，该圆柱体内有一个非常小的“胶囊”装置，里面装着聚变燃料：氘和氚 。当激光射向目标时，它们会产生X射线，然后挤压燃料，在极短的时间内蒸发“胶囊”装置，所产生的冲击波会粉碎氢原子，使它们融合并释放能量 。
虽然此次产生的能量很小，大约3兆焦耳（足够给一个灯泡供电），但它标志着核聚变能源的历史性首次，因为激光只发射了略高于2兆焦耳的能量，即产生的能量，较输入的能量高出50%多 。
它与现有核能有什么不同？
谈及核能，许多人可能会想到我们今天拥有的核反应堆 。但不同的是，这些反应堆使用的是“核裂变” 。
裂变与聚变正好相反，聚变迫使原子聚集在一起，而核反应堆（裂变）通过分离重原子来产生能量 。
核聚变还能产生清洁能源 。与核反应堆不同，这一过程不会产生副产品，如核电厂中发现的乏燃料棒（spent rod） 。
另外，与裂变不同，核聚变不会发生核熔毁现象，也不能用来制造核武器 。
国际原子能机构（IAEA）还解释说，虽然氢弹确实使用聚变反应，但需要第二颗裂变炸弹来引爆它 。
为什么说核聚变很重要？
当前，地球正面临着几个世纪以来燃烧化石燃料造成的气候危机 。其结果是，洪水、干旱、海平面上升等现象将会加剧 。我们已经看到这种情况正在发生，地球变得越暖，这些灾难就会变得越严重 。
如今，地球已经变暖了大约1.2摄氏度 。根据2015年《巴黎气候协议》设定的目标，我们要在本世纪末将其控制在1.5摄氏度以内，这样才能使与气候相关的灾难减少 。因此，科学家和工程师一直在努力开发具有成本效益的清洁能源 。
这就是核聚变的用武之地 。它不会产生有害的二氧化碳或甲烷，而且效率很高 。根据国际原子能机构（IAEA）的说法，聚变每公斤燃料产生的能量是裂变的四倍，是燃烧石油或煤炭的近400万倍 。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）周二在一份声明中表示：“这是一项里程碑式的成就，让我们更接近于拥有丰富的零碳聚变能源，从而帮助人们解决人类最复杂和最紧迫的一些问题，包括提供清洁能源来应对气候变化 。”
何时才能用聚变作为能源呢？
虽然这是历史性的第一次，但这并不意味着我们已经准备好大规模生产能源 。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）负责人金·布迪尔（Kim Budil）称，这一成就是人类有史以来解决的最重大的科学挑战之一 。但是，到目前为止，无论是在科学上，还是技术方面，都存在着不小的障碍 。


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