美國核聚變獲重大突破　人類終摘得清潔能源「聖杯」？

美國能源部於本周二（13日）宣佈，在核聚變相關研究取得重大突破。經過世界各地一眾科學家逾半個世紀的研究，該項由加州勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）進行的核聚變實驗，首次在可控實驗室條件下實現了能量淨增，這意味着人類有可能在「零碳」能源上邁出關鍵性的一步。

核聚變（nuclear fusion）是使兩個較輕原子核接受攝氏1億度或以上的極端高溫，從而聚合成一個更重的原子核、並釋放出巨大能量的過程。然而，這個過程會消耗巨大的能量，因此核聚變實驗的難度一直都是如何讓釋出的能量大於輸入的能量，並實現持續性能量輸出。此次實驗的結果，便是首次在可控實驗室條件下實現能量淨增加。

核聚變長期以來被視為一項最有潛力實現廉價、且用之不盡、取之不竭的清潔能源的技術，它既不依賴化石燃料、也不會產生溫室氣體，亦不會像目前世界各地的核電站一樣產生放射性污染，故被稱為清潔能源的「聖杯」（holy grail）。

勞倫斯利佛摩國家實驗室前首席能源技術專家Lawrence Livermore指出：「與煤不同，產生聚變能只需要少量的氫。而氫是宇宙中最豐富的東西，它就存在於水中。因此產生這種能量的物質近乎無限，而且是清潔的。」

一杯水中的氘（Deuterium）再加上一點氚（Tritium），兩者是一般用於進行核聚變反應的兩個氫的同位素，也被稱為「重氫」和「超重氫」，就可以滿足一個家庭一年的能量需求；幾克的氘和氚則可以產生一萬億焦耳的能量，相當於生活在發達國家的一個人60年所需要的能量。

美國能源部長格蘭霍姆（Jennifer Granholm）表示，此次實驗結果為「21世紀最引人矚目的科學壯舉」。美國國家核安全局局長Jill Hruby則稱：「我們已經向一種可以徹底改變世界的清潔能源邁出了最初的一步。」

製造核聚變=人造「小太陽」？

目前，世界各地的核電站皆利用核裂變（nuclear fission）來進行發電，這一過程與核聚變恰恰相反，是將重原子分裂，但其產生的能量卻只有核聚變反應的四分之一。

然而，聚合兩種同位素遠沒有聽上去那麼簡單。在自然界中，太陽及其他所有的恆星都是由核聚變反應提供能量，但這些恆星上存在的自然條件卻很難在地球上複製。這也是為什麼核聚變工程也被稱為「人造太陽」。

參與反應的兩種原子核之間存在着一種電排斥力（Electric repulsion）形成的「庫倫勢壘」（Coulomb barrier，即是兩個原子核要接近至可以進行核聚變所需要克服的靜電能量壁壘），為了在人造的太陽上實現聚變，需要製造超過攝氏1,000萬度的極高溫度條件、使原子核相互碰撞，從而克服相互間的電排斥力，並最終實現聚變。要做到這一點，眾多原子核必須被約束在一個非常狹小的空間之內，以增加碰撞的機會。在太陽中，其巨大的引力所產生的極端壓力為核聚變的發生創造了條件。

在耗資39億美元（約303億港元）打造的勞倫斯利佛摩國家實驗室，科學家們採用了一種慣性約束聚變的方法，通過從四面八方向一個非常微小的柱形燃料丸發射192道激光，將其內的燃料加熱到超過攝氏300萬度，引發內爆並產生瞬間的高溫和高壓。聚變燃料瞬時被壓縮，密度達到極限值，溫度也進一步升高，從而令氘和氚的原子核聚合形成氦和巨大能量。

在12月5日進行的實驗中，反應產生了約3.15兆焦耳的能量，約為激光器中輸入能量的150%。

商業化運行仍需數十年

是次實驗所得的能量淨增是關鍵的一步，但其商業化的應用還需要將確保能源輸出可以長時間持續，才能夠實現為全球的電網輸電。而這將會是科學界下一個重大的挑戰。

目前，加州實驗室所產生的能源規模仍然遠不足以運營一個發電站，倫敦帝國理工學院（Imperial College London）慣性核聚變研究中心主任Jeremy Chittenden對美國有線新聞網（CNN）表示，此次實驗中產生的能源「大約是煮沸10壺水所需要的能量。為了把它變成一個發電站，我們需要大大增加在能量方面取得的收益。」

格蘭霍姆表示，拜登政府的目標是在十年內生產出商業用的核聚變反應堆。不過，核聚變科學家Mark Cappelli重申，那些寄希望於核聚變在不久的將來成為一種無碳的、無廢物的能源的人可能要耐心等待。他指出，問題在於科學家如何定義能量淨增，因實驗室激光器中的能量只佔點燃激光器所涉及的總功率的一小部分。

由此看來，Cappelli認為該實驗室獲得的能量仍遠遠低於它所投入的能量。他認為真正意義上的能量淨增，是「非常、非常、非常、非常遙遠的事情，那是幾十年後、也許甚至是半個世紀以後才能實現的。」