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美国宣布“重大科学突破”,可控核聚变首次成功点火

2022-12-13 17:20:31 综合报道 阅读:
12月5日,美能源部在一份声明中说,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家在核聚变能源领域取得突破,首次实现核聚变反应的净能量增益——从核聚变反应中产生的能量比其消耗的能量更多。

最近刘慈欣小说《三体》改编的动画正式上映,不少人们沉醉在科幻世界宏大的叙事之中,而刘慈欣也曾在小说中写道,人类在22世纪终于实现了可控核聚变,并将其应用在太空飞船上,人类因此达到了光速的15%,从而有机会离开太阳系。rp6ednc

12月5日,美能源部在一份声明中说,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家在核聚变能源领域取得突破,首次实现核聚变反应的净能量增益(也称点火)——从核聚变反应中产生的能量比其消耗的能量更多。rp6ednc

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一名技术人员在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的前置放大器支持结构内rp6ednc

可控核聚变一直被视为人类摆脱化石能源束缚的重要方向之一,因为其聚变所需的同位素氘氚在地球上储量惊人,氘可以从海水中提取,氚也可以通过地壳中广泛存在的锂制取。1g氘和氚完全聚变大约能释放出3.36×e11焦耳能量,1g铀235则能够释放出大约为8.19×e10焦耳能量,有着四倍左右的差距,一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量就相当于地球上所有石油储备产生的总能量。同时铀235在地球存量稀少提取困难,而且裂变反应会产生大量长期的有害辐射,核聚变则完全没有这些缺点。rp6ednc

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FT受控核聚变示意图 rp6ednc

因此核聚变被认为是一种清洁、高效的能量来源,但是其反应过程也非常困难,人类若想成功实现受控热核聚变反应,从而获得巨大能量,就必须创造三个必要条件。一是极高的温度,以使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体;二是极高的密度,以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大,而且便于将聚变产生的阿尔法粒子能量留下来继续参与核聚变反应;三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。所以虽然核聚变能带来巨大的能量收益,但满足聚变的这些条件也会消耗大量的能量,连氢弹的引爆都需要原子弹来当扳机,想要实现可控核聚变的难度可想而知。rp6ednc

目前为止,人类对可控核聚变的研究主要分为两个方向。一是磁约束核聚变,也就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内,使它受控制地发生大量的原子核聚变反应,释放出能量,典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)。二是激光核聚变,这是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变,典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置(NIF)。rp6ednc

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全超导托卡马克核聚变实验装置EASTrp6ednc

实际上自20世纪50年代以来,物理学家们一直在设法利用为太阳提供动力的核聚变反应,但此前的研究结果都是输出能量小于输入能量,这种状态无法用于发电。而劳伦斯利弗莫尔国家实验室的这次聚变实验中获得了净能量增益,这也是人类首次实现核聚变点火。rp6ednc

该实验室采用惯性约束聚变方法,激光束为圆柱体提供2.05兆焦耳的能量后,输出了3.15兆焦耳的核聚变能量,约为激光器能量的150%,因为能量产出超出了预期,损坏了一些诊断设备,使得分析工作变得复杂,所以相关数据分析耗时较久。到美国东部时间12月13日10时,美国能源部长Jennifer Granholm和负责核安全的副部长Jill Hruby正式宣布这“一项重大科学突破”,而这也是我们见证人类在可控核聚变上实现从“0“到”1“的历史性时刻。rp6ednc

当然,这次突破,并不意味着我们马上就要用上纯粹的清洁能源了。因为150%的能量净增比例仍然是远远不够的,据科学家估计,如果要将核聚变技术落地实用,能量输出必须至少比进入的激光器的能量高出几倍。而且,这次实验中NIF的激光器效率极低,一次实验只研究了一次激光爆发,而实际的核聚变发电厂需要机关枪一样的激光爆发速度,每次爆发都有新的靶丸滑动到位,然后从聚变反应中飞出的中子流必须转化为电能。按照这种转换效率距离100%的核聚变应用,仍然是很遥远的事情。rp6ednc

不过正如科技媒体The Verge评论所说:“即使在最乐观的情况下,核聚变的任何潜在现实世界利益都可能还有等待十多年。看起来我们仍然不太可能及时依靠核聚变能源来使我们摆脱气候危机。但这是很酷的科学,人们可以有梦想。”rp6ednc

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