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科学家成功创造“燃烧电浆”,为自维持核融合铺路

2022-03-17 18:10:16 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
燃烧电浆是实现自维持(self-sustaining)核融合能源所需要的;达到适当温度与压力的电浆,是核融合能源的关键要素之一,能实现可观的能量增益...

美国劳伦斯利佛摩国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人员成功创造了让核融合燃料自体发热所需的条件,称之为燃烧电浆(burning plasma),这是掌握核融合能源的一个关键步骤。mFjednc

燃烧电浆是实现自维持(self-sustaining)核融合能源所需要的;达到适当温度与压力的电浆,是核融合能源的关键要素之一,能实现可观的能量增益。Livermore的研究人员历经数十年的核融合研究之后,宣称在实验室环境下发现了燃烧电浆的状态。该测试是在美国国家点火设施(National Ignition Facility,NIF)所进行;该机构配备了一套雷射,能以脉冲形式输出最高达1.9兆焦耳(megajoules)的能量,尖峰输出值可达500太瓦(terawatts)。mFjednc

由物理学家Alex Zylstra、Omar Hurricane等人在《Nature》期刊共同发表的论文,除了描述以上技术进展,还包含有关于靶材(target)设计的配套论文。Livermore研究人员利用NIF在一个辐射空腔(radiation cavity)环境下产生X光,其放射是用以透过间接过程中的X光烧蚀压力,来引导一个燃料容器。在内爆(implosion)过程中,采用机械性技术对氘-氚(deuterium-tritium)燃料进行压缩和加热。mFjednc

根据论文作者的说法,产生核融合反应的实验都是利用大量的“外部”加热方式来产生电浆,而他们的系统号称是首度证实核融合过程本身能提供大部份热能。mFjednc

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间接驱动惯性约束(inertial confinement)核融合方法示意图。(来源:《Nature》)mFjednc

“在NIF进行的核融合实验成果,为商用核融合能源指引了道路;”核融合产业协会(Fusion Industry Association)执行长Andrew Holland指出,将有越来越多会员公司“以NIF的实验成果为基础,加速朝着以核融合作为能量来源的方向迈进。”mFjednc

要让核融合发生作用,燃料必须维持适当的功率平衡,因为许多因素会导致电浆损耗能量。相较之下,核融合和内爆压缩会加热电浆。核融合是一个非线性过程,科学家正努力开发一套所产生能量高于消耗之能量的系统,这也是一个商用反应炉的基本条件。点火克服了泄漏过程,让核融合反应几乎可以自我维持。mFjednc

将反应器点火需要将核融合燃料加热到很高的温度和压力,并且把所产生的电浆局限到足够长的时间。自1950年代开始的相关研究,被形容为“在地球上打造一颗恒星”,要把核融合转换为可商用的能源,已经被证明是难解的任务。科学家探索了多种加热和局限电浆的方法,其中最常见的两种分别是“惯性”(inertial)方法──燃料被自身的惯性所局限,以及“磁性”(magnetic)方法──即透过磁场来局限电浆中的带电粒子。mFjednc

NIF利用强力雷射来加热并压缩一个小容器中的氢燃料──该雷射的192道光束聚焦于一个胡椒粒大小,装有氘气与氚气的的胶囊,让燃料被压缩至铅的100倍之密度,并使燃料温度大幅上升至摄氏1亿度;当热被施加于靶材,就会产生电浆。mFjednc

在Livermore研究人员最近的实验中,他们在一个封装了氢、氘与氚同位素的微小黄金圆筒中,聚焦192道激光束产生10奈秒(ns)的爆炸,来启动整个过程。激光束蒸发黄金、产生X光,将胶囊从内部爆破并产生核融合反应。所产生的核融合反应释出许多种粒子,包含“α粒子”,它们与环绕的电浆互动,进一步地将电浆加热。在一个自维持反应,或点火过程中,被加热的电浆释出更多的α粒子,因此产生更多的热能。mFjednc

当核融合反应而非雷射点火成为电浆升温的主要热源,该热源提供了自维持核融合所需的能量。研究人员指出,他们的实验是首次产生燃烧电浆,而且所产生的核融合能量高于压缩和加热核融合燃料时消耗的能量。以往的尝试因受限于控制电浆形状的挑战,在能源生产过程中仅实现净增益。因此这些研究人员宣称,他们证实了一条能提高核融合性能水平的途径。mFjednc

不过,在产生燃烧电浆的过程中仍然有能量被浪费掉。NIF的目标之一,是促进和维持核融合反应以产生能量;实现电浆燃烧是有待克服的障碍之一。要实现核融合能源的商业化,对惯性局限核融合的进一步研究势在必行;Livermore研究人员表示,实现燃烧电浆能有助于科学家对整个过程有更充分的了解。mFjednc

(参考原文:Livermore Reports Burning Plasma for Fusion Energy,By Maurizio Di Paolo Emilio;本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志20223月号)mFjednc

责编:Demi
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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