核聚变的未来,由领导这项工作的女性来阐述

Kim Budil, Director of the Lawrence Livermore National Laboratory, oversaw the recent fusion breakthrough in the pursuit of clean, abundant energy.
Kim Budil, Director of the Lawrence Livermore National Laboratory, oversaw the recent fusion breakthrough in the pursuit of clean, abundant energy.Image: World Economic Forum / Mattias N
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  • Kim Budil 主持了劳伦斯利弗莫尔国家实验室近期取得的核聚变突破,该突破旨在实现清洁、丰富的能源。

  • 美国能源部将这一突破描述为“具有历史意义的、同类首创的成就”。

  • Budil 在世界经济论坛2023年年会上谈到了这项实验的意义,以及扩大投资以推广该技术的必要性。

在巨大的劳伦斯利弗莫尔国家实验室内,去年12月在这里取得了核聚变突破,而最早预测这一突破的人至今仍在此工作——时隔60年。

John Nuckolls 现年九十多岁,曾是惯性约束核聚变的先驱之一。

“他是一位杰出的物理学家,对这项工作充满热情,”劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)主任 Kim Budil 在瑞士达沃斯举行的2023年年会期间向世界经济论坛表示。“他已与几代研究人员合作,推动这一事业发展……不过,当我们告诉他发生了什么时,他的第一句话是:‘你们接下来要做什么?’”

Budil 及其由8,000名工程师、物理学家、化学家和材料科学家组成的团队,在美国加利福尼亚州的 LLNL 设施中成功利用激光,在实验室中营造出类似恒星的核聚变点火条件。点火实现了首次实现净能量增益,即核聚变反应产生的能量超过了消耗的能量,净增益为1.5兆焦耳。

美国能源部在一份声明中称赞这一突破是“具有历史意义的、同类首创的成就”,并表示它将为“清洁核聚变能源的前景提供宝贵见解”。

LLNL 主任 Kim Budil,于2022年12月宣布核聚变点火突破时。Image: REUTERS/Mary F. Calvert

Budil 向世界经济论坛介绍了核聚变如何能够提供“为地球提供清洁、丰富的能源来源”,并详细说明了要将该技术扩大规模以实现核聚变发电,需要采取哪些措施。

以下是 Budil 发言内容的编辑版文字实录。

关于此次突破的意义

“这是世界上能量最强的激光。激光设施本身的占地面积约相当于三个美式橄榄球场,高约10层楼。该激光产生约两兆焦耳的激光能量并射向靶标。我们所做的,是将这些能量集中到一个很小的体积内,从而达到极高的温度和密度。

“我们准备一个小小的金质容器,将192束激光聚焦到容器内,以产生X射线浴。X射线浴会照射位于中心的一个微小胶囊,该胶囊内充满氢燃料。胶囊的外表面由金刚石制成,外表面向外爆裂的同时,内表面向内运动,从而压缩氢燃料。如果压缩得足够快,并且保持足够长的时间,核聚变反应就会自我维持。”

“我们在12月5日的实验中看到的是:输入两兆焦耳的激光能量,我们产生了三兆焦耳的核聚变能量,增益约为1.5。这是人类首次在实验室中获得比输入胶囊的能量更多的核聚变能量输出。运行激光大约需要从电网中获取约300多兆焦耳的电能。该设施并非为建设发电厂而设计,而是作为科学设施建造的,但自我维持核聚变反应的演示意义非常重大,首次展示了未来核聚变能源系统可能具备的基本构件。”

什么是核聚变——能源领域的“圣杯”?
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关于实现发电规模化的时间框架

“绝对不是下周!可能需要二三十年。从我们现在所处的阶段,发展到发电厂所需的规模,是一项相当艰巨的挑战。但这一切都是可行的。我们已有相应的策略和方法,我们认为这些策略和方法能够帮助打造更高效的驱动装置,并制造在规模和成本上更简单、足以具备经济可行性的靶标。因此,你需要能够做到的不是每周一次,而是每秒10次。这是相当大的规模扩展。你还需要配套的整体设备。你需要所谓的反应堆容器,用于捕获产生的中子,并将其转化为热能,以驱动你的发电系统。”

关于接下来需要采取的措施

“我们现在需要的是一项科学和投资战略,使我们能够在所有这些方面同时取得进展。我们将继续致力于靶标和核聚变源的研究,努力提高增益。要建成能源系统,我们需要数百倍的增益。这是可行的,我们也有相应路径,但这需要研究。要制造效率更高、且我们确实知道如何实现的激光,我们的激光是基于20世纪80年代的激光技术建成的。如今的激光效率已大大提高,我们也有了更好的策略,但我们需要进行验证,建造原型生产线,并研发将用于发电厂的所有系统。时间框架几乎直接取决于资源投入。”

关于投资需求

“建造该设施耗资约35亿美元,每年运行费用约为3.5亿美元。在我们开始建造激光时,这是一个处于前沿、高风险的项目。当时10项关键技术中有7项尚不存在,必须在过程中逐一研发出来。这正是公共部门投资的优势所在:规模大,能够长期管控风险,并能调动实验室内来自多个学科的资源。”

“我们的激光并非为能源发电而建造,而是作为国家安全计划的支柱而建造。如果我们希望推进这一事业,公私合作伙伴关系将至关重要。我观察到,已经衍生出来的私营核聚变公司,需要特定的专业知识和技能,而如果在初创企业框架内自行发展这些能力,成本将高得令人望而却步。因此,它们可以与实验室合作,获取这些能力和专业知识。在惯性约束核聚变领域,这一点至关重要。”

“我们经过60年的艰苦努力。[当时]激光技术刚刚被发明,远不像今天这样为人所熟知。惯性核聚变能源的公共部门资金规模很小,美国能源部正在建立该项目,我们希望借助此次重大宣布,这一重要基础构件能够增加对该领域的支持,并吸引更多参与者。这是一条极具挑战性的技术路径。它是可行的,但我们需要最优秀的人才投入其中,并在未来提出大量想法。”

关于打造核聚变生态系统

“要推动核聚变事业发展,我们必须打造一个生态系统,让该领域中希望实现技术商业化的任何私营部门参与者都能与我们合作,共同推进靶标设计,探讨激光架构或其他驱动器架构,从而受益于我们的专业知识,以及以这种规模运营一座设施所需的条件。我希望我们将开始看到公共部门对该技术能源应用的大规模投资。我们已经围绕惯性约束核聚变成立了多家公司,它们正开始探讨与我们合作,共同推动该技术向前发展。”

“未来几年,协同合作至关重要。提高靶标增益、使其更高效、更简单,从而使其在能源应用中更具成本效益,这项工作的内容相同,无论是用于天体物理学还是能源应用。在某个时刻,发展路径出现了分岔。我现在需要与所有这些方面相互配合地开展工作,然后,我需要确保能源应用存在一条独立获得支持的退出路径。”

观看 Budil 的完整session 在此观看。

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