作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/8 15:13:05
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核聚变“里程碑” 却只够“洗个热水澡”?

 

“我们经过反复验证,这样的结果并不是昙花一现。”2月5日,美国科学家在《物理评论快报》《自然—物理学》等杂志发表一系列论文,证实劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的聚变反应堆产出了近两倍于输入的能量。

2022年12月,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布,其聚变反应堆首次释放出比投入更多的能量,成为聚变反应的里程碑事件。

相关数据在今年2月5日的论文中得到证实:当时发射了一个2.05兆焦耳的激光脉冲,产生3.15兆焦耳的能量。在之后的试验中,能量输出输入比再次提高,在2023年9月4日达到1.9倍。

不过,业内专家对该技术的商业化前景似乎并不乐观。新科学家网站在报道中称,这么小的能量输出远达不到商业运行的要求,只够“洗个热水澡”。

近日,美国聚变反应堆产出了近两倍于输入的能量。图片来源:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室


是否突破盈亏平衡点存争议

目前人类使用的核电站都是依赖于裂变反应,分裂铀等重原子核以释放能量和更小的粒子。聚变则相反,将氘和氚等较轻的原子核聚在一起形成更重的氦原子核,同时释放能量。聚变的优势是不产生放射性核废料,但其实现可能还需要“永远的50年”。

几十年来,科学家们一直在努力达到产生这种反应所需的1亿摄氏度或更高的温度,采取的方式有几种。

国际热核聚变实验堆(ITER)和中国的“人造小太阳”(EAST)均采用磁约束,即使用具有强磁性的大型托卡马克装置来稳定和加热等离子体燃料。

相比之下,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施(NIF)聚变装置更为迷你,采用激光惯性约束的方法,使用强激光束来压缩和加热胡椒粒大小的氘和氚燃料胶囊,直到其核心的压力和温度能够引爆聚变燃烧。该实验于2011年开始。

不过劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Richard Town指出,NIF的主要工作是为美国核武器计划提供关键研究。例如,将核弹的电子设备和有效载荷暴露在聚变反应发生时的中子轰击下,以检查它们在核战争中能否正常运行。

“直到上世纪90年代,激光惯性约束核聚变这一概念都是机密。”Town表示,NIF从未被当成原型反应堆建设,也没有被优化以提高产量。

2022年达到盈亏平衡点的消息似乎为核聚变电站的发展提供了希望。

不过是否真的实现盈亏平衡还存在争议。

《科学》网站指出,3.15兆焦耳仅相当于三支炸药的能量,而产生激光脉冲却要消耗150倍能量。

新科学家网站则在报道中称,“激光器消耗了500万亿瓦,比整个美国国家电网的输出还要多,因此该实验只是狭义地突破了所谓的盈亏平衡”。

业内专家同样不乐观。英国伯明翰大学的Martin Freer表示,随着科学实验的进展,还是有可能实现聚变的,但从科学角度来看,面临的挑战相当严峻。

英国曼彻斯特大学的Aneeqa Khan反对将此次科学进展解读为人类摆脱化石能源依赖的可能方案。她强调,核聚变实现商业化可能还需要几十年的时间,且前提是加强全球合作和人才培养。

 激光技术有待升级

要从实验室发展到商业规模,首先要解决的就是规模放大。Town表示,如果升级激光器,有可能得到10倍产出比。“更大的‘锤子’总是有帮助的,”他说。

该实验使用的激光器来源于美国罗切斯特大学激光能量学实验室的OMEGA激光系统。

《科学》网站认为,利用激光产生聚变能的方法相对更简单,有望更具成本效益,但前提是它可以扩大规模。主要挑战在于,必须将燃料压缩成完美的球形对称,任何缺陷都会导致燃料不可预测地膨胀,从而降低核心温度。

为了保证实验中的对称性,NIF用橡皮擦大小的黄金圆柱包围燃料胶囊,再用192束激光光束从各个方向进行加热,达到一定温度后,圆柱体会发射x射线轰击燃料胶囊。由于X射线的平滑效果,胶囊外壳会均匀地蒸发,然后像火箭发动机一样向外爆炸,并对称地向内挤压燃料。

不过,对于一个千兆瓦的发电厂来说,这项技术可能过于昂贵,每天将消耗近100万个黄金圆柱和燃料胶囊。

更简单的方法是去掉圆柱,将激光束直接照射到燃料胶囊上使其蒸发。这就要求罗彻斯特大学提供更高质量的激光束——能量均匀地分布在波前上,以完美对称的方式会聚。

2月5日,罗彻斯特大学激光能量学实验室在《自然—物理学》的论文中报告,他们调整了太空舱的设计,在聚合物外壳中添加硅以提高能量吸收,实验数据最好的一次是利用2.15兆焦耳的脉冲产生1.6兆焦耳能量。虽然没实现能量增益,但确实会使等离子体燃烧。

卢瑟福-阿普尔顿实验室的Robbie Scott认为,这是一个好消息,因为去掉圆柱体用激光直接驱动的效率将是以前的5倍。

据报道,几家初创公司已经计划将该技术商业化。罗彻斯特大学激光能量学实验室最近也接连获得多项美国能源部、美国国家科学基金会等机构的经费支持。

 相关论文信息:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.065102

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02361-4

 
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