核聚變對清潔、無限能源的潛力聽起來像科幻小說，但它正在慢慢成為現實

眾所周知，核能在過去一直名聲不佳，充滿了有毒的包袱和災難性的崩潰。改變這種能源的形象一直是一場艱苦的戰鬥，但最近取得的更難以捉摸但更強大的核聚變的成就可能會改變這一點。如果實現，它可以通過複製太陽內部發生的那種反應，為人類提供有效的無限和清潔的能源。

2022 年 12 月，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 宣布其國家點火裝置 (NIF)通過產生更多能量（超過 3 兆焦耳，或比引爆一公斤 TNT少 1 兆焦耳）實現了實現核聚變的新里程碑比他們最初使用稱為慣性限制的過程要多得多——稍後會詳細介紹。

對於以燃燒恆星核心為模型的能源來說，這個結果可能聽起來微不足道，但對於幾十年來一直追求這一科學的科學家來說，比如這個結果背後的聚變計劃的首席科學家奧馬爾颶風，這證明了他們的努力可能終於得到回報。

十二月的結果是里程碑，表明沒有物理障礙阻礙聚變發電。

雖然科學家們多年來一直知道如何製造核聚變，但實際上創造這種潛在的自我維持的能源一直是該領域的大難題。NIF的新成就，以及不斷增長的私營部門，可能只是推動核聚變最終發揮作用所需要的。不僅僅是一項科學成就，聚變能的新時代可能是邁向更可持續能源未來的一大步。

這給我們帶來希望：基於聚變的發電廠可以用來取代我們目前的化石燃料燃燒發電廠，並可以為我們的家庭，工業和企業供電。

考慮到這一新的進展，現在值得評估一下：我們離實現核聚變和解決人類的能源問題有多近？

什麼是核聚變？

如果核聚變具有如此大的潛力，那麼似乎不清楚為什麼它的對應物核裂變不能並駕齊驅。雖然這兩種反應都是核反應，這意味著它們都涉及原子核中心的能量變化，但它們實際上在許多方面都是截然相反的。

核裂變是世界各地核電站的核心，它通過分解鈾等放射性元素的原子來產生能量爆發。然後，這種能量被用來加熱水和產生蒸汽，以便轉動渦輪機，從而產生電力。根據其規模，像這樣的核電站的年發電能力約為500-1000兆瓦，相當於每個工廠高達1萬匹馬的功率。

這種方法的缺點是，使用放射性原子作為反應堆的能源會導致危險的廢物產生，並且還容易受到危險的熔毀的影響，例如80年代車諾比和2011年福島發生的熔毀。即使新的裂變反應堆能夠克服這些陷阱，能源仍然是有限的。

另一方面，核聚變一旦適當地引發，就有可能自我維持，這一過程被核科學家稱為點火。這種能量源的工作原理是將輕原子（例如氫同位素氘和氚）撞擊在一起以形成一個較重的原子（例如氦）。這與我們試圖用太陽能電池板在地球上捕獲能量太陽產生能量的過程相同。

每單位質量聚變燃料的理論能量產生可能......遠遠超過其他已知的能源，氘同位素氫在海水中也很豐富，並且在擬議的聚變發電廠中有從鋰（在海水中也很豐富）中培育氚的計劃。

與核裂變發電廠類似，核聚變技術將通過產生蒸汽來轉動渦輪機來發電，但數量是其四倍，並且沒有有害的副產品。

我們離實現核聚變有多近？

利用地球上燃燒的太陽的力量決非易事。為了實現這一目標，科學家使用兩種主要方法：雷射和磁鐵。

這些方法大致分為以下幾類：利用稱為托卡馬克和仿星器的磁瓶的磁聚變能，慣性聚變能和磁間聚變 - 前兩種技術的結合，最成熟的技術是使用稱為托卡馬克的磁性瓶的MFE。

NIF實驗是使用基於雷射的慣性約束創建的。簡而言之，近200個高功率雷射器在裝有氫同位素燃料的膠囊周圍反彈。在幾秒鐘內，來自這些雷射的能量從外部加熱膠囊，首先壓縮燃料，然後向外產生能量爆炸。

許多其他政府和私人項目，包括法國備受期待的ITER（國際熱核實驗反應堆），都使用托卡馬克來加熱其恆星燃料。托卡馬克最初由蘇聯科學家在 1950 年代後期設計，通過使用磁鐵和真空來壓縮和加熱氫原子，直到它們轉化為等離子體。對這種等離子體的持續壓力迫使它進行融合。

近年來，核聚變的突破，如NIF的能量增益，歐洲的聯合歐洲環面（JET）持續能量脈衝，以及英國私人托卡馬克能源公司改善的加熱，一直在減少核聚變的要求，但現在它們還只實驗階段。

既然我們已經證明了受控聚變是可能的，接下來，我們需要解決發電所需的工程挑戰。

為了使商業聚變可行，科學家和工程師將需要開發能夠承受聚變環境的新材料，並開發為這些反應創造燃料的新方法，例如從海水中收穫成分。對燃料的尋找甚至導致科學家們關注外層空間，在那裡發現了一種稱為氦-3的氦同位素 - 一種有前途的核聚變反應堆燃料 - 在很大程度上被發現。例如，中國聲稱在月球泥土中發現了氦-3。然而，在行星的轉折中，科學家們最近發現地球上的氦-3比以前認為的要多，儘管它的來源仍然神秘。

為實現這些目標，美國於 2022 年 4 月宣布為兩個試點聚變電廠提供總計 5000 萬美元的資金，儘管人們對這筆資金的效果持懷疑態度。即便如此，研究人員認為核聚變可能還需要幾十年的時間。

但是，當成功時，它可能會產生遠遠超出目前綠色能源的連鎖反應。

在一個我們為能源和能源生產資源獲取而戰的世界裡，我們看到氣候變化的影響加速，核聚變給我們帶來了巨大的希望和驚人的挑戰。

雖然核聚變仍面臨許多挑戰，但潛在的好處是巨大的，人們繼續推動創新，並朝著更清潔、更可持續、更實惠的未來能源邁進。