核聚变迎来黄金时段尚早？

李垚

核聚变的三个经济学原理

几十年来，物理学家一直在研究核聚变，因为它有望成为清洁能源的潜在来源。2022年12月中旬，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）点火装置的聚变反应报告，此次核聚变获得进展，最终产生的能量大约为2.5兆焦耳，超了激光束的能量（2.1兆焦耳）。剑桥大学核能工程师托尼·鲁斯通称赞这次核聚变的突破具有历史意义，相当于物理学家恩里克·费米于1942年首次创造核链式反应，最终让世界各地拥有了数百次裂变的反应堆，也让世界上电力有了10%的增长。

核聚变理论上能提供几乎无限的清洁能源，这一技术突破需要多长时间才能兑现？了解聚变科学，需要理解经济学中代表关键“盈亏平衡点”的三个简单数字。

第一点被称为科学上的收支平衡点——这是聚变反应产生的能量多于最初用于產生反应的能量。

第二个是工程收支平衡，即整个聚变反应堆产生的能量多于消耗的能量。要成为有用的能源，需要能够净生产而不是消耗能源的设施。

第三个是经济或商业收支平衡，即聚变发电设施与其他能源相比具有成本效益。

当前主流核电站裂变过程包括：分裂一个大原子，释放能量（并产生长寿命的放射性废物）。当两个小原子被加热到足以融合并产生能量时，就会发生聚变。

核聚变测试试图还原恒星提供动力的过程

最近的聚变突破话题让人想起恩里克·费米的裂变反应堆，他发现了中子慢化现象

聚变其实就是为包括太阳在内的恒星提供动力的过程，此次利弗莫尔国实验室的实验试图在我们的地球上重现这种现象。用世界上最强大的激光系统发射一个微小的、几乎完美的圆形、超光滑的金刚石胶囊，粉碎里面的氢原子。

第一种方法是通过磁约束进行核聚变，在一个巨大的反应堆中，轻氢原子（氘和氚）被加热，然后材料处于等离子体状态，这是一种密度很低的气体，它通过磁场控制。目前正在法国建设的国际ITER项目就使用这类方法。

第二种方法是惯性约束，其中非常高能量的激光被送入一个顶针大小的圆筒内，里面装有氢气。这就是“兆焦耳激光”（LMJ），是美国国家点火设施（NIF）所使用的技术，加利福尼亚国家实验室正是通过后者进行的实验，实现了能量的增长。

到目前为止，使用激光的实验室的目的更多的是为了证明物理原理，而第一种方法则是为了重现接近于未来的配置。

科学界为何如此期待核聚变？

对于这个问题，科学家们认为：“这是一种完全无碳的能源，产生的废物非常少，而且本质上非常安全，这使得它能够成为世界能源问题的未来解决方案。”与核裂变不同，核聚变不会有发生核事故的风险。此外，核聚变产生的放射性废物极少，最重要的是，它不会产生温室气体。

对许多人来说，核聚变是未来的能源，但此次研发人员还算比较客观，利弗莫尔国家实验室主任吉米认为：“在工业和商业规模可行之前，还有很长的路要走，这种项目还需要20或30年才能完成。现在，我们只是利用激光实现了净能量的增加，但还需要想办法让它变得更简单，需要许多技术上的改进：能量必须增加，而且操作必须是每分钟可重复多次。”

实验中产生的能量很小，只够烧开几壶水，好的方向是，这项实验表明，科学原理是可行的。其中一个挑战是，要让经济或商业收支平衡，拥有足够多的能量，它们是否真的值得建造，或者其他能源方式会更便宜吗？要知道核聚变实验并不便宜，到目前为止点火设施已经耗资了35亿美元。“点火”成功，只是人类在可控核聚变研究上踏出的第一步。