美国能源部周四报告称，位于加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室上周实现了核聚变，并获得了净能量收益。也就是说，通过将192个巨型激光聚焦在一小块冻结的氘和氚上，该实验室的国家点火设施产生了一个产生比它所使用的更多能量的反应，这个阈值被称为“点火”。这一期待已久的结果是核聚变领域的重大突破，对可再生能源产生了令人兴奋的影响，尽管仍很遥远。

我们请化学、化学生物学和物理学教授亚当·e·科恩(Adam E. Cohen)解释发生了什么，以及为什么这很重要。为了清晰和长度，采访经过了编辑。

常见问题

亚当·e·科恩

宪报:什么是聚变?

科恩:核聚变是轻原子核相互碰撞形成重原子核的过程。当原子核结合时，这个过程可以释放出巨大的能量。

宪报:听起来科学家所做的是把两种氢同位素撞在一起，形成氦，氦的质量略小。但这是如何产生能量的呢?

科恩:一个多世纪前，爱因斯坦用他著名的公式e = mc2告诉我们，你可以把质量转化为能量。所以氢同位素融合在一起的一小部分质量变成了能量，从这个反应中产生。

宪报:为什么它不保持质量呢?为什么没有多余的质量四处乱飞呢?

科恩:质量是离散的，如果你把氦的质量和在这个过程中飞出来的中子的质量加起来，就会有一点不同。另一种思考方式是氦有两个质子和两个中子，这些质子和中子相互束缚。它们紧紧地粘在一起。当氢同位素融合形成氦核时，它们相互粘在一起，释放出大量的能量。它们相互吸引，就像磁铁的北极和南极相互吸引一样。当它们相互撞击时，会释放出大量能量。

宪报:太阳就是这样工作的吗?

科恩:这与太阳下的反应略有不同，但这也是一种聚变反应。它是太阳的基础，也是热核武器——氢弹的基础。我们希望能让这种反应在可控的范围内发生，从而对人类有用。

“这张照片释放的能量约为3兆焦耳。3兆焦耳的能量相当于你吃一个果冻甜甜圈所获得的能量。”

宪报:这种实验没有危险吗?

科恩:实验本身并不危险。与核裂变不同，核聚变很难实现。如果你把足够多的放射性物质聚集在一个地方，它就会自发地发生裂变，你就会得到失控的反应。核聚变很难进行:氢同位素的原子核是带正电荷的，而我们知道同性电荷会相互排斥。所以很难让这些原子核靠得足够近，吸引相互作用可以接管，它们实际上可以进行这个反应。你必须在高压下非常非常用力地挤压它们，让它们在高温下快速移动，这样才有可能开始聚变。如果你拿走驱动器，如果你拿走激光，一切都停止了。

另一方面，从聚变反应中产生的中子可以与它们击中的物质发生反应，产生低水平的残余放射性。它不是一种完全清洁的技术。产生了一些放射性废料。

宪报:但这仍然是一个压倒性的积极发展，对吗?

科恩:很不错。这是一项惊人的物理学成果，它表明，作为一个团体，我们对核聚变物理学的理解已经足够先进，我们可以在国家点火设施的控制条件下预测并实现这些反应。

希望这将在某种程度上与地球上的人类能源供应有关，这仍然是一个很长的路要走。国家点火设施的主要目的实际上并不是可再生能源;它是关于库存管理的。这是关于我们如何维护和跟踪我们的氢弹库。鉴于我们不再测试它们，我们必须确保它们是安全的，并且我们了解它们是如何工作的。所以这个设施的主要目的是模拟那些炸弹的情况并了解那里的物理情况。

宪报:我们的研究是否接近应用?

科恩:简短的回答是否定的。它目前的实现是不可伸缩的。为了给你们一个规模上的感觉，在这个镜头中释放的能量大约是3兆焦耳。3兆焦耳的能量相当于你吃一个果冻甜甜圈所获得的能量，大约500千卡。500千卡的热量很多，但这是一个价值数十亿美元的设施每八小时就能发射一次这样的子弹。就实际生产有用数量的能源的吞吐量而言，这远远低于你所需要的水平。

宪报:这是科学家第一次从聚变反应中产生净能量增益，也就是“点火”，对吗?

科恩:人们谈论这个反应如何第一次产生了比它消耗的更多的能量。但这实际上取决于你如何计算。这有点像把水从一只手传递到另一只手——在这个过程中的每一步，你都会失去一点。在这种情况下，反应释放的能量比压缩和加热胶囊的光中的光子更多。

但是如果你看一下用来驱动激光产生光的电能，这远远超过了反应中释放的能量，如果你想象一下试图建造一个真正的发电厂，那么你就必须利用反应中释放的热量和中子，用它们来制造蒸汽，用蒸汽来驱动涡轮机。在这个过程中你也会有损失。

所以当你观察整个系统而不是反应的局部时你需要将反应的输出增加几百倍才能使它实际上是正的。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。