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美国可控核聚变实验,再次实现净能量增益!
去年12月14日,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)首次实现可控核聚变点火成功,为全人类摘下清洁能源「圣杯」。
LLNL在向目标提供2.05兆焦耳(MJ)的能量之后,产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出,能量增益约为1.5。
7月30日,该实验室复现了这一实验。这一次,能量输出大于3.5兆焦耳,比12月那次更高。这种能量可以为家用熨斗供电一个小时。
人类离无限零碳电力又近了一步。
再次点火成功!
和去年年底一样,这次的消息,依然是由英国《金融时报》曝出。
LLNL实验室证实,这次的激光设施再次实现了能量增益,现正在对结果进行分析。
自去年12月首次成功点火以来,研究者一直在进行实验。7月30日的实验中,他们在NIF上再次点火成功。
实验结果将在科学会议和同行评审出版物上发表。
简单地说,「核聚变」就是两个轻原子核结合成一个较重的原子核,并释放出巨大能量的过程。
两个氢原子碰撞并聚合成氦原子,氦的质量比原来的氢原子略小。根据爱因斯坦标志性的E=mc²质能方程,这个质量差会转化为能量爆发出来。
在太阳的核心,每秒都在发生6.2亿吨氢的核聚变。产生的能量,是地球上一切生命的源泉。
但利用核聚变的一大难题之一,就是如何让核聚变反应释放的能量大于输入的能量,并且让过程可持续。
从上世纪50年代以来,无数的物理学家就一直希望从核聚变反应中产生比消耗更多的能量。
如果攻克了这个最大的难题,人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源,彻底改变未来的能源路线图。
也就是说,到了那时,就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体,不再有危险、长效的放射性废物——人类将得到真正意义上的「清洁能源」。
这意味着进入电气时代后,一直困扰着人类的能源紧缺问题将从此消失。
人类甚至能在可控核聚变带来的恒星级能源中,实现前所未有的科技突破。
20世纪60年代,LLNL的一组先锋科学家就作出假设:激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。
随后,在物理学家John Nuckolls的领导下,这一革命性的想法演变为惯性约束核聚变。
为了实现这一概念,LLNL建立了一系列越来越强大的激光系统,最终建立了世界上最大、能量最强的NIF。
实验中,激光器模仿了太阳中心的条件,将重氢同位素,氘和氚,融合成氦。
首先,若干氢气小球被放入胡椒粒大小的装置中,然后使用强大的192束激光,加热和压缩氢燃料。
激光在进入环空器后,会击中内壁并使其发出X射线,然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度——比太阳中心还热,并将其压缩到地球大气压的1000亿倍以上。
高能激光会使小球表面等离子体化,其余中心材料受到牛顿第三定律驱使,最终会向中央坍缩发生内爆。
在内爆时,只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应——也就是「点火」,随之便会放出大量能量。
完成核聚变从0到1的这一步我们走了60年,但从1到100000我们只用了8个月。
伦敦帝国理工学院的Jeremy Chittenden说,大多数物理学家认为LLNL 2021年的实验是人类历史上可控核聚变真正的里程碑。
在这次实验中,证明了使用NIF的可控核聚变反应堆能够实现。
而在2022年12月,被媒体疯狂报道的人类第一次获得的可控核聚变带来的「净增量能源」,只是2021年实验所证明的结果——对之前产量的进一步提升。
这次实验也是如此,LLNL提取到的能量比前一次增加了。这表示科学家们现在已经知道了如何把握实验中的细节,以产生更多的能量。
但这距离NIF的激光完全燃烧反应物产生的能量还差得远。
Chittenden表示在目前LLNL的实验中,仅有百分之几的燃料被反应了。
但这次LLNL所取得的进步足以证明,在突破0到1的桎梏后,可控核聚变的进步将一路狂飙。
核聚变发电问题已被解决?
但是这次成功点火,也并不意味着聚变发电已经成功解决。
其中一个大问题,就是激光的低效。
虽然反应堆的输出高于激光的输出,但激光本身效率非常低。为了产生2.1兆焦耳的能量,它们需要500万亿瓦特,这比整个美国国家电网的输出还要多。(也就是此前屡屡被人调侃的35亿美元烧开10壶水)
所以,以后的重大挑战是,如何创造一个反应,让总能量需求达到平衡,而不仅仅是最后激光阶段的反应。
另一个问题是,NIF反应堆只能点火一次,持续几十亿分之一秒,然后就必须花几个小时冷却组件,才能再次启动。
而如果想要将聚变反应堆应用于商业发电,就需要让激光器每秒加热目标10次。这并非根本不可能,但从工程角度来看,是非常困难的。
并且,即使一个反应堆可以长时间运行,且通过激光抵消其真正的能量需求,它仍然只是达到了收支平衡。
如果想让核聚变成为全新的能源方案,就必须能够提取大量的净能量。唯有如此,才能让建造反应堆的巨大成本物有所值。
另一种核聚变装置:托卡马克反应堆
目前的核聚变反应堆,通常使用以下两种方法来产生所需的热量:
托卡马克装置的工作原理是,加热到超过1亿摄氏度时,会产生旋转的氢同位素等离子体,它们将会碰撞,而产生聚变反应。超级磁铁产生的磁场随后会将等离子体包含起来,以防止其破坏反应堆。
而两种反应堆的最大区别,在于聚变反应所需的时间。
磁反应堆可以使聚变过程持续更长时间,但需要更多的能量;相比之下,基于激光的反应堆,可以让核聚变在很短的时间内发生,而且现在已经一定程度上跨过了净能量增益的门槛。
在托卡马克装置中,需要依靠强磁场实现对高温等离子体的约束,因此超导磁体是核心部件之一。
获得同样的聚变功率,提高磁场强度,能够有效缩小托卡马克装置的规模和造价。
参考资料:
https://www.ft.com/content/a9815bca-1b9d-4ba0-8d01-96ede77ba06a
https://www.newscientist.com/article/2386288-nuclear-fusion-breakthrough-is-cheap-clean-energy-finally-here/