作者:鲁亦 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/19 10:11:56
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70%能量收入,核聚变迈向“点火”

 

近日,一束激光在一个胡椒粒大小的燃料容器中引发核聚变爆炸,产生了能量1.35兆焦耳(MJ)能量——大约相当于一辆时速160公里的汽车的动能。这一能量也是触发该过程的激光脉冲能量的70%,意味着接近核聚变“点火”,即反应产生的能量足以使反应持续下去。美国国家点火装置(NIF)在无限聚变能源的道路上迈出了一大步。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室核聚变项目负责人Mark Herrmann说:“在多年来3%的点火率下,这是非常令人兴奋的。”该实验室负责运行NIF。

罗切斯特大学激光能量学实验室主任、物理学家Michael Campbell表示,NIF的最新成果“证明了少量能量,使少量质量内爆,就可以实现核聚变”。

“这是一项了不起的成就。”英国伦敦帝国理工学院等离子体物理学家Steven Rose补充道,“这是惯性聚变自1972年开始以来最重大的进展。我感到非常高兴。”

为恒星提供能量的核聚变迫使小原子核融合成更大的原子核,释放出大量能量。但核聚变所需的热量和压力在地球上很难实现。即便如此,因为能够提供丰富的清洁能源,核聚变一直备受关注。然而,目前还没有项目能实现产生的能量超过引起反应所需的能量。

NIF的方法被称为惯性约束聚变,它使用一个巨大的激光器,能在几个橄榄球场大小的设施中产生192束激光束,这些激光束在20纳秒内以短暂、强大的脉冲(1.9MJ)聚焦在目标上。研究人员希望将尽可能多的能量注入目标容器—— 一个小球体,里面充满了氘和氚,装在橡皮擦大小的金圆筒里。

于是,黄金蒸发,产生x射线脉冲,在容器引发内爆,把聚变燃料变成一个温度高、密度大的小球,足以触发核聚变。从理论上讲,如果这种微小的核聚变爆炸能够以每秒10次左右的速度触发,那么发电厂就可以从产生的高速中子中收集能量来发电。

今年早些时候,NIF团队对实验过程进行了改进,实现了几次能量达100千焦(kJ)的反应。NIF最终创造了一个“燃烧的等离子体”,并向聚变反应本身为更多的聚变提供热量迈进。近日,一次反应产生了惊人的1.35 MJ能量。“这是一个全新的开始。”Herrmann说。

但研究人员表示,究竟是哪些改进产生了最大的影响,仍需要一段时间才能弄清楚。“这是一个非常非线性的过程。这就是为什么它被称为‘点火’:一个失控的反应,也是获得更高能量效益的关键。”Herrmann说。

然而,Herrmann团队离实现核聚变发电厂构想还有很长的路要走。Campbell说:“在实验室里进行核聚变已经非常困难,要获得经济的核聚变动力就更难了。”

NIF的主要任务仍然是确保美国的核武器储备是安全可靠的,研究核聚变能只是个副业。但是,实现“点火”并研究和模拟这个过程也将“打开一个新的窗口”,Herrmann说,因为不受控制的核聚变同样能为核武器提供动力。

回忆起8月初,Herrmann承认,当收到同事的短信,说在最新反应中得到了一个“有趣”结果时,他曾担心仪器可能出了问题。当事实证明并非如此时,“我开了一瓶香槟”。

 

 
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