依靠恒星的動(dòng)力來(lái)滿(mǎn)足我們的能源需求

編譯 無(wú)機(jī)客

核聚變能源產(chǎn)業(yè)能帶來(lái)人類(lèi)歷史大突破，意義堪比人類(lèi)掌握了電力的使用。

我們稱(chēng)為核聚變的過(guò)程能在宇宙某處產(chǎn)生大量能量。倘若你想要證據(jù)，你只需要看一下夜空：夜空中的每個(gè)亮點(diǎn)都是一臺(tái)天然的核聚變動(dòng)力反應(yīng)堆。幾十年來(lái)，科學(xué)家一直試圖將恒星的動(dòng)力源帶到地球上，而在2022年2月公布的一項(xiàng)令人震驚的研究結(jié)果中，位于牛津郡的卡勒姆聚變能中心，在激發(fā)和維持迷你恒星領(lǐng)域，已經(jīng)達(dá)成新的里程碑。

歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（或者稱(chēng)為JET）是一臺(tái)甜甜圈形狀的機(jī)器。該項(xiàng)目的科學(xué)家將上一個(gè)核聚變反應(yīng)釋放能量的世界紀(jì)錄（創(chuàng)立于1997年）翻了一番。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，聚變能的輸出功率相當(dāng)于4臺(tái)陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)——這是工業(yè)規(guī)模電力生產(chǎn)目標(biāo)邁出的一大步。

為了配合JET的設(shè)計(jì)方案和目標(biāo)，聚變產(chǎn)生的動(dòng)力少于加熱燃料所需的能量。實(shí)際上，還未有哪個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)聚變生成的能量多過(guò)啟動(dòng)反應(yīng)所用的能量——這依然是全球各地核聚變科學(xué)家未實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。最近的研究結(jié)果非常有說(shuō)服力地指出：更大更好、工作原理與Jet類(lèi)似的恒星機(jī)——譬如國(guó)際資助、目前在法國(guó)建設(shè)的“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”（ITER）項(xiàng)目——將能夠產(chǎn)出比消耗量更多的動(dòng)力。

同樣重要的是，雖然這次實(shí)驗(yàn)僅僅持續(xù)五秒鐘，但聚變反應(yīng)的停止不是因?yàn)槿剂蟽?nèi)部的破裂（這是之前實(shí)驗(yàn)中的典型原因），而是因?yàn)檩o助設(shè)備變得過(guò)熱。低溫冷卻系統(tǒng)會(huì)在下一代機(jī)器中避免這種情況，所以從五秒鐘到五分鐘、五小時(shí)乃至更久的躍升在如今看來(lái)是可行的。

聚變能具備為整個(gè)行星提供清潔能源的潛力。假如能將它予以完善，那么會(huì)有充足的燃料，地球上每個(gè)人每年可用的能源相當(dāng)于普通美國(guó)人的水平，并持續(xù)至少數(shù)千年，而且很可能是數(shù)百萬(wàn)年。這種動(dòng)力形式不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，也不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期有害的放射性廢料，絕不可能發(fā)生切爾諾貝利核電站和福島第一核電站那樣的堆芯熔毀事故。

你也許在尋思，為何核聚變能源的難題尚未被攻克？恒星的內(nèi)部進(jìn)行著核聚變反應(yīng)，再現(xiàn)與恒星內(nèi)部相似的條件是個(gè)令人膽怯的技術(shù)挑戰(zhàn)，或許是人類(lèi)面臨過(guò)的最大挑戰(zhàn)。聚變機(jī)必須達(dá)到比太陽(yáng)核心高4倍到10倍的溫度。在JET上，要控制和約束燃料，需要?jiǎng)佑帽鹊厍虼艌?chǎng)強(qiáng)8萬(wàn)倍的不可見(jiàn)磁場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。燃料本身是一團(tuán)渦動(dòng)的荷電粒子，它容易受到不穩(wěn)定性的影響，只要幾毫秒就會(huì)暫停反應(yīng)。

但核聚變科學(xué)家好運(yùn)連連。2021年8月，一位美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家極其接近核聚變領(lǐng)域最受期待的目標(biāo)，即讓產(chǎn)生的能量比投入的能量更多。盡管總能量微不足道，僅是JET創(chuàng)下的新紀(jì)錄的1/60，但美國(guó)的研究設(shè)施擊敗了它自身在2018年創(chuàng)下的記錄，為舊記錄的23倍。12月，中國(guó)的“先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置”（EAST）在1.5億攝氏度下控制物質(zhì)達(dá)到1 000秒——盡管并沒(méi)有加入最終商業(yè)化反應(yīng)堆會(huì)需要的特殊類(lèi)型的氫燃料。與此同時(shí)，私營(yíng)核聚變產(chǎn)業(yè)正在萌芽：在2021年的最后3個(gè)月里，該行業(yè)的總投資額翻了一番多，達(dá)到42億美元?？ɡ漳肪圩兡苤行牡膶?shí)驗(yàn)已經(jīng)向全世界展示，從聚變反應(yīng)獲得持續(xù)的高功率輸出是可以實(shí)現(xiàn)的。

盡管有這股前進(jìn)的勢(shì)頭，但在核聚變?yōu)槟慵夜┠苤埃€有一段路要走。就連最為闊綽的私營(yíng)核聚變公司都僅僅許諾到2025年建立一家試驗(yàn)工廠，至于公共資金資助的實(shí)驗(yàn)室，按照當(dāng)前的計(jì)劃，在未來(lái)三十年內(nèi)不會(huì)見(jiàn)到來(lái)自核聚變的電力并入電網(wǎng)。為了抗擊氣候?yàn)?zāi)難，我們需要大規(guī)模的核裂變和可再生能源，而且是越快越好。

盡管如此，現(xiàn)在還是該為恒星動(dòng)力而激動(dòng)。一直以來(lái)，人類(lèi)財(cái)富增加和繁榮發(fā)展的關(guān)鍵在于科學(xué)和技術(shù)。假如核聚變的能量能成功地輸出，那么這會(huì)成為人類(lèi)歷史的里程碑事件，近似于人類(lèi)采用電力或動(dòng)力飛行的發(fā)明。因?yàn)槲覀儗?duì)于清潔能源的需求強(qiáng)烈，聚變能誕生得越早越好。然而，不考慮它在何時(shí)出現(xiàn)，依然有大量有用的信息。和任何一種技術(shù)一樣，進(jìn)展并不隨著歲月推移而出現(xiàn)，而是隨著投資和社會(huì)意志而出現(xiàn)。假如上述兩個(gè)要素齊全，核聚變就能比我們預(yù)期的更快出現(xiàn)。不管準(zhǔn)確的時(shí)間線是怎樣的，過(guò)去幾個(gè)月的進(jìn)展讓人想到，恒星動(dòng)力的未來(lái)十分光明。

資料來(lái)源TheGuardian