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新技術有望實現終極核聚變，開啟一個清潔的無限能源時代

沒有放射性廢料的核能（核聚變）一直是技術上聖杯，它可以徹底改變人類的生活，改變氣候變化的趨勢。這種劃時代的技術在工程學上是一場噩夢。事實證明，幾乎不可能制造出本質上是微型太陽的東西，更不用說從中獲得任何能量了。但最近的一項技術發展可能會改變這一點，讓我們離可使用的核聚變反應堆更近了一步，并由此開啟一個清潔、無限能源的新時代。 核聚變是如何發生的？為什麼它會如此具有革命性？ 有兩種類型的核反應，裂變和聚變。裂變是原子分裂的連鎖反應，是我們目前的核反應堆的動力。雖然它非常清潔和安全（事實上，核裂變發電仍然是我們目前擁有的最幹淨和最安全的能源形式），但它會産生一些難以處理的有害的放射性副産品，而且裂變材料的供應是有限的。 核聚變迫使兩個原子結合成一個原子。在太陽的核心，溫度和壓力高到足以迫使氫原子聚集在一起，聚變成氦，在這個過程中，釋放出大量的能量！ 核聚變是目前能量密度最大的能源。相比之下，一千克煤含有大約230MJ的能量（以燃燒的形式），一千克鈾-235含有大約86,400,000MJ的能量（以裂變的形式），但一千克氫含有84,5,000,000NJ耳（以聚變的形式）。這意味着一公斤氫聚變可以為一個普通家庭提供2000萬多年的電力。 核聚變也将是迄今為止最環保的能源。它使用少量的燃料來産生巨大的能量，唯一的廢物是氦，沒有碳排放，沒有大量的土地使用（像太陽能和風能），并且核聚變材料相當豐富。核聚變真的可以為人類帶來一個清潔能源的新時代。 但核聚變反應需要極高的溫度和壓力。在太陽的核心，引力使聚變能夠自發地發生。但在地球上，需要消耗大量的能量來創造同樣的條件。

幾十年來，我們已經可以創造出聚變反應條件。兩個例子是托馬克裝置和美國國家點火裝置（NIF）。托卡馬克使用強大的磁鐵在一個環形反應堆中擠壓和加熱氫。NIF使用強大的激光來“點燃”微小的氫顆粒。但它們都有一個關鍵問題，即聚變過程中消耗的能量比從聚變過程中提取的能量還要多。 這是開啟這一革命性能量來源的關鍵，創造出一台足夠高效的機器，以獲得能源淨收益。

目前，NIF的反應堆保持着最高效率的記錄。2021年8月，NIF成功地從一個聚變反應中提取了70%的能量，比2018年的記錄高出8倍！ 有了NIF的反應堆，我們可以在三個方面提升效率：激光，顆粒設計和能量提取。 最近，科學家們在顆粒設計和能量提取方面取得了長足的進步。計算機模拟和新材料已經讓顆粒設計，壓縮和加熱其中的氫比以前更均勻，導緻了高效和完整的聚變。核聚變釋放出的大部分能量是以快速移動的中子的形式産生的，科學家們已經開發出了可以捕獲這些粒子的材料，然後可以用來驅動蒸汽渦輪機。我們已經在化石燃料電廠和裂變電廠中使用了超高效率的蒸汽渦輪機，這項技術非常成熟，幾乎沒有改進的空間。

正是這些進步使得NIF在幾個月前的效率達到了令人難以置信的70%。然而，在激光方面，已經很長時間沒有突破了。這意味着提高聚變反應堆效率的最重要的機會之一就是激光。最近的一個項目可以提高NIF的激光效率，從而實現淨能量增益。 NIF使用高功率紅外激光器和一系列複雜的光學元件，将光束轉換成頻率更高的紫外線，從而迫使氫聚變。

  • NIF目前的激光系統将紅外激光器轉變為強大的紫外激光器
最近對氟化氩激光器（AfL）的研究表明，它們可能比目前的紅外激光器更有效，因為氟化氩激光器發射深紫外線，所以不需要任何光學設備。 相關科學家聲稱，他們将專門為NIF的反應堆設計AfL，有望将效率提高100倍。如果他們實現了這一目标，那麼下一代反應堆将在能源方面實現淨收益。 這足夠得到一個可用的聚變反應堆嗎？ 是的，它們可以産生能量，但數量非常少。由于氟化氩激光器極其昂貴，這種低能量輸出将阻止它們的商業可行性。 要想讓核聚變的産率遠遠超過100%（輸入能量與輸入能量比），并接近150%或200%（足以為下一次核聚變提供動力，同時還能提取大量額外的能量），還需要更多的技術飛躍。但即便如此，這些反應堆也需要變得非常可靠。氟化氩激光器一次點燃一個小球（顆粒），所以需要在其生命周期内點燃它數十億次，才能擁有一個商用反應堆。這是我們目前的技術無法實現的。 但這些進步似乎很快就會到來。在過去的十年裡，在效率和可靠性方面的飛躍是驚人的。如果這一趨勢繼續下去，我們可能會在未來幾十年内看到一個具備商業能力的核聚變反應堆。新的反應堆設計，如TAE的硼加速器有望在未來幾年超過ICRs。因此，到2030年，我們可能會得到幾個可用的聚變反應堆。 這些創新來得正是時候。地球正在碳排放重壓下“呻吟”。太陽能和風能技術無法在不破壞環境的情況下為我們提供能源，而用核裂變能源為世界提供能源還存在許多政治問題。毫無疑問，一個運轉正常的核聚變反應堆将扭轉氣候變化的趨勢，讓我們過上能量密集的21世紀的生活，同時善待地球母親。

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