恒星诞生记:美国取得核聚变发电的突破

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美国科学家复制出太阳的能量，尽管只持续了短暂一瞬，但他们创造出一颗“微型恒星”，重新唤起人们对核聚变或许有朝一日能成为地球上一种无尽的廉价能量来源的希望。

实验是去年秋天在美国能源部的一所实验室里完成的，其结果于周三（2月12日）在科学期刊上公布。研究人员用全世界最强大的激光向一个只有豆子大小的目标轰击。轰击触发了核聚变反应，释放巨大的能量――时间仅维持零点几秒。

刊登在《自然》杂志上的这篇论文的第一作者、劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家奥马尔・赫里肯说，在使用这项技术时，“我们从燃料中获取的能量第一次大于投入到燃料中的能量”。

这项研究距离最终实现所谓的“点火”还有很远的路要走。所谓“点火”，就是整个设备能够以自持链式反应，创造出比消耗掉的能量更多的能量，否则核聚变发电就不可行。在历次“点火”实验中，相当一部分激光的能量散失掉了，没能抵达燃料。

但最新的实验结果标志着此次美国项目在历经多年的挫折和虚假承诺后，终于向前迈出了一步。这也给商用核聚变反应堆的样式提供了―个具体的模式。

英国卡勒姆核聚变能源中心主任史蒂文・考利说：“这次实验表明，只要激光设备达到劳伦斯利弗莫尔国家实验室的规模，就有可能实现点火”。考利未参与此项研究。

当今的核电站是通过核裂变来发电的，这涉及原子的分裂。而在核聚变中，原子核在高温和高压下被压碎，从而释放能量。

上世纪50年代第一颗氢弹爆炸时，核聚变的力量便为人所知。但利用核聚变技术并将其用于和平用途则一直困难得多――很多科学家会使用比“困难”重得多的用词――但继续进行尝试的理由还是很充分的。

核聚变是所有已知的能量产生过程中最高效的。核聚变燃料可以很容易地从自然界获得，而且核聚变也几乎没有产生有毒副产品或发生核熔毁的风险。

最新的实验是在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施进行的。位于加州的国家点火设施是一座10层楼的建筑，占地面积相当于3个足球场大小。该设施的建设成本高达35亿美元，2009年投入使用。自那以来，该设施的运营成本已经达到数亿美元。

国家点火设施原本希望在2013年9月实现点火，但没有成功。长期以来，批评人士批评国家点火设施预算超支、进度滞后和关键科学目标定得过高。即使有了这次最新的进展，大家还不清楚该机构能否达到目标。

哈里肯博士说：“这是非常困难的。我们差不多已经把自己推到极限才形成这一结果。”

实现核聚变的另一种主要技术是使用强磁而不是激光。英国的卡勒姆中心1997年曾使用这种磁的方法，注入24兆瓦能量，提取16兆瓦能量――距离人们渴望实现的能量“净收益”不算太远。

通过磁来点火的方法促成包括美国在内的35个国家联合起来，启动了近年来最大的一个科学项目：耗资200亿美元在法国建设的国际热核聚变实验堆计划的核聚变反应堆，预计2020年开始运营。

大多数实验室则更倾向于激光法。国家点火设施的实验使用了192束激光，瞄准大小相当于10美分的小金罐。

罐子里有一个豌豆大小的囊，内含燃料：氢的同位素氘和氚的混合物。当激光束进入金罐，轰击罐的内壁，释放了一道x射线。这些x射线以巨大的压力轰击囊，将燃料囊压碎成只有原半径的1/35。

随着囊的缩小，燃料迅速汇聚在中空的中心周围，但它无处可去。这一过程产生了比太阳中心更大的压力和更高的温度，引发了聚变反应。

本质上说，科学家们制造了一颗只存在了不到1秒的微型恒星，然后这颗恒星便爆炸了。

这次试验所释放的能量是过去同样试验的10倍。

一个惊人的发现是，数据还表明核材料在自行加热，这是点火的关键条件。

但实现点火仍然有很长的路要走。为了达到这个目标，科学家们需要将燃料压缩成一个近乎完美的球形内爆，这是不容易做到的。这就是过去的努力都失败的一个原因。

考利博士说：“这就像用手指捏住一个气球，然后挤压，直到它小了1000倍（还不能变形太厉害）。”

研究人员在实验中创造了约150千兆巴的压力并期望300千兆巴或以上的压力就能实现点火。一个千兆巴约为10亿个大气压。

他们希望能改进内爆的形状和速度。一种方式是将金罐的形状改为橄榄球的形状。

赫里肯博士说：“大自然不喜欢把大量的能量放置在小空间里，所以她要反抗。这就是一种反抗方式。”