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美国首次实现核聚变能源净增益，意义有多大？


2022年12月15日　
作者：牲产队长
来源公众号：牲产队

在核技术领域，美国一直处于全球领先地位。

如核电站、核动力航母、核潜艇以及核武器等，美国技术均位列世界领先地位。美国是世界上第一个研发出原子弹的国家，也是全球唯一一个在实战中使用过原子弹的国家。


而今，美国又在核聚变技术上，迈出了重要一步。

据美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室公开宣布，美国在可控核聚变技术上取得重大突破，首次实现了核聚变能源净增益。


什么意思呢？就是在可控核聚变实验中，美国科学家实现了生产能量比注入能量更多，产生了能源净余值。搞可控核聚变，不再是单方面的持续性能量亏损了，可以实现能源盈余了。

这不只是美国首次在技术上实现，也是人类首次在技术上实现。这是人类走向可控核聚变，实现新能源可持续发展的重要一步。不过，大家也不必过于兴奋。在人类完全掌握可控核聚变全产业链技术之前，这当下的重要一步也不过是核技术漫漫长河中的一小步。

可控核聚变直接关系到人类和平利用核能的更高阶段，也是人类解决能源短缺问题的重要技术方向。当下，全球所有的核电站都是基于可控核裂变技术而建设。可以说，可控核裂变发电站技术已经相当成熟，掌握第三代可控核裂变发电站的国家已经有法国、美国、俄罗斯、中国、韩国以及日本等六个国家。


而在可控核聚变领域，人类研究还处于实验室水平，成本极高，收益为零，相关研究全靠国家财政支撑，距离商业化应用还有着很远很远的距离。

为了率先掌握可控核聚变技术，美国投资巨大。在这个世界上，最顶尖的炫富从来都不是什么豪车名表，也不是什么别墅豪宅，而是投资顶尖前沿科学实验。这才是真正的烧钱项目，随便一台科学仪器都可能是一个普通人工作一辈子也买不起的神器。

而在可控核聚变技术研发投入上，美国不惜血本。在劳伦斯利弗莫尔国家实验室，为了建设相关实验设施，美国就投入了35亿美元，相当于一艘山东舰。他们用将近200台激光器，组成一个相当于3个足球场那么大的庞大矩阵，用超高能量轰击一个小点，促发核聚变反应。


据业内知情人士称，单次实验成本就高达100万美元。100万美元买个跑车或者买个豪宅，你至少会拥有固定资产。但100万美元用在可核聚变实验上，只能得到一堆不值钱却无价的数据。

在最近一次实验中，美国劳伦斯利弗莫尔实验室使用激光器消耗能量2.1兆焦耳，核聚变产生能量2.5兆焦耳，实现能量净增益1.2。也就是说，投入1单位能量消耗，能带来1.2倍的能量总收益了。它带来的最大意义是，能量产出首次超过了能量消耗。

可是，从市场化角度来看，这仍旧是血亏的生意，距离商业化成功还有着十万八千里。这是在实验室条件下的能量增益1.2，如果要实现商业化，它还要增加储能设备，运输设备，技术人员以及固定投资等。在储能和运输两个环节中，还会产生新的能量损耗，这1.2倍的能量增益分分钟就给损耗掉了。


在实验室里，首次实现能量净增益，不代表首次实现商业化可盈利。距离可控核聚变商业化发电，摆在人类面前的至少还有三道技术障碍：

一是，可控核聚变反应的执行频率过低。当前，实验室单次可控核聚变实验结束后，要等待数小时后，才能开启第二次，设备和仪器还不能支持短时间、多频次、连续性可控核聚变反应。

二是，成本过高，收益过低。3.6兆焦耳等于1千瓦时，也就是我们平常说的1度电。用35亿美元建设的实验设备，单次试验成本100万美元，产生2.5兆焦耳，不到0.7度电。这还没算核能转换电能中的能量损耗，堪称世界上成本最高的电。


按煤电成本4毛/度来计算，100万美元就可以生产出约1750万度电。也就是说，一个可控核聚变发电站起码要做到投入100万美元，生产出1750万度电，才能对煤电形成可替代的成本优势。

这样的天价电只有试验价值，没有任何商业价值。

三是，可控核聚变，人类已经解决了从0到1的过程，但从1到100，到10000，直到彻底规模化，商业化，技术上还无法实现。如果不能上规模，就难以实现商业化。

但可控核聚变技术的发展进度却是惊人的。2014年，美国科学家单次试验才释放14千焦能量。到2022年，美国科学家已经能够释放2.5兆焦的能量，8年时间，放大了近180倍。


我预计，以当前的研发进度，到2050年，人类有可能首次建成基于可控核聚变反应堆的新型核电站。

美国劳伦斯利弗莫尔实验室之所以高调宣传自己的研究成果，主要还是想跟美国国会的老爷们伸手要钱，方便批款。核聚变属于微观领域，而航天属于宏观领域。在宏观宇宙科学方面，马斯克都准备向火星进发了，而微观领域的核聚变技术又岂能甘心落后？

都是美国老百姓的钱，搞航天烧钱，搞核聚变也烧钱。他马斯克可以烧，劳伦斯利弗莫尔实验室为什么不能烧呢？


对中国而言，美国仍旧在尖端基础科学领域处于领先地位。中国的基础科学起步要比美国慢得多，在工程应用学方面取得的成就更为瞩目。

但这些年来，我们也一直在奋力追赶。核裂变技术，中国已经追到第三代核电站，基本和美国并肩。可控核聚变领域，留给中美的时间都还很多，我相信，未来，中国可控核聚变技术也能成为人类福音，为解决世界能源难题添加一道东方之光。

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