核聚變“里程碑” 卻只夠“洗個(gè)熱水澡”？
“我們經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，這樣的結(jié)果并不是曇花一現(xiàn)。”2月5日，美國科學(xué)家在《物理評論快報(bào)》《自然—物理學(xué)》等雜志發(fā)表一系列論文，證實(shí)勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的聚變反應(yīng)堆產(chǎn)出了近兩倍于輸入的能量。
2022年12月，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室宣布，其聚變反應(yīng)堆首次釋放出比投入更多的能量，成為聚變反應(yīng)的里程碑事件。
相關(guān)數(shù)據(jù)在今年2月5日的論文中得到證實(shí)：當(dāng)時(shí)發(fā)射了一個(gè)2.05兆焦耳的激光脈沖，產(chǎn)生3.15兆焦耳的能量。在之后的試驗(yàn)中，能量輸出輸入比再次提高，在2023年9月4日達(dá)到1.9倍。
不過，業(yè)內(nèi)專家對該技術(shù)的商業(yè)化前景似乎并不樂觀。新科學(xué)家網(wǎng)站在報(bào)道中稱，這么小的能量輸出遠(yuǎn)達(dá)不到商業(yè)運(yùn)行的要求，只夠“洗個(gè)熱水澡”。
近日，美國聚變反應(yīng)堆產(chǎn)出了近兩倍于輸入的能量。圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室
是否突破盈虧平衡點(diǎn)存爭議
目前人類使用的核電站都是依賴于裂變反應(yīng)，分裂鈾等重原子核以釋放能量和更小的粒子。聚變則相反，將氘和氚等較輕的原子核聚在一起形成更重的氦原子核，同時(shí)釋放能量。聚變的優(yōu)勢是不產(chǎn)生放射性核廢料，但其實(shí)現(xiàn)可能還需要“永遠(yuǎn)的50年”。
幾十年來，科學(xué)家們一直在努力達(dá)到產(chǎn)生這種反應(yīng)所需的1億攝氏度或更高的溫度，采取的方式有幾種。
國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和中國的“人造小太陽”（EAST）均采用磁約束，即使用具有強(qiáng)磁性的大型托卡馬克裝置來穩(wěn)定和加熱等離子體燃料。
相比之下，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）聚變裝置更為迷你，采用激光慣性約束的方法，使用強(qiáng)激光束來壓縮和加熱胡椒粒大小的氘和氚燃料膠囊，直到其核心的壓力和溫度能夠引爆聚變?nèi)紵Ｔ搶?shí)驗(yàn)于2011年開始。
不過勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的Richard Town指出，NIF的主要工作是為美國核武器計(jì)劃提供關(guān)鍵研究。例如，將核彈的電子設(shè)備和有效載荷暴露在聚變反應(yīng)發(fā)生時(shí)的中子轟擊下，以檢查它們在核戰(zhàn)爭中能否正常運(yùn)行。
“直到上世紀(jì)90年代，激光慣性約束核聚變這一概念都是機(jī)密。”Town表示，NIF從未被當(dāng)成原型反應(yīng)堆建設(shè)，也沒有被優(yōu)化以提高產(chǎn)量。
2022年達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)的消息似乎為核聚變電站的發(fā)展提供了希望。
不過是否真的實(shí)現(xiàn)盈虧平衡還存在爭議。
《科學(xué)》網(wǎng)站指出，3.15兆焦耳僅相當(dāng)于三支炸藥的能量，而產(chǎn)生激光脈沖卻要消耗150倍能量。
新科學(xué)家網(wǎng)站則在報(bào)道中稱，“激光器消耗了500萬億瓦，比整個(gè)美國國家電網(wǎng)的輸出還要多，因此該實(shí)驗(yàn)只是狹義地突破了所謂的盈虧平衡”。
業(yè)內(nèi)專家同樣不樂觀。英國伯明翰大學(xué)的Martin Freer表示，隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，還是有可能實(shí)現(xiàn)聚變的，但從科學(xué)角度來看，面臨的挑戰(zhàn)相當(dāng)嚴(yán)峻。
英國曼徹斯特大學(xué)的Aneeqa Khan反對將此次科學(xué)進(jìn)展解讀為人類擺脫化石能源依賴的可能方案。她強(qiáng)調(diào)，核聚變實(shí)現(xiàn)商業(yè)化可能還需要幾十年的時(shí)間，且前提是加強(qiáng)全球合作和人才培養(yǎng)。
激光技術(shù)有待升級
要從實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到商業(yè)規(guī)模，首先要解決的就是規(guī)模放大。Town表示，如果升級激光器，有可能得到10倍產(chǎn)出比。“更大的‘錘子’總是有幫助的，”他說。
該實(shí)驗(yàn)使用的激光器來源于美國羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的OMEGA激光系統(tǒng)。
《科學(xué)》網(wǎng)站認(rèn)為，利用激光產(chǎn)生聚變能的方法相對更簡單，有望更具成本效益，但前提是它可以擴(kuò)大規(guī)模。主要挑戰(zhàn)在于，必須將燃料壓縮成完美的球形對稱，任何缺陷都會(huì)導(dǎo)致燃料不可預(yù)測地膨脹，從而降低核心溫度。
為了保證實(shí)驗(yàn)中的對稱性，NIF用橡皮擦大小的黃金圓柱包圍燃料膠囊，再用192束激光光束從各個(gè)方向進(jìn)行加熱，達(dá)到一定溫度后，圓柱體會(huì)發(fā)射x射線轟擊燃料膠囊。由于X射線的平滑效果，膠囊外殼會(huì)均勻地蒸發(fā)，然后像火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一樣向外爆炸，并對稱地向內(nèi)擠壓燃料。
不過，對于一個(gè)千兆瓦的發(fā)電廠來說，這項(xiàng)技術(shù)可能過于昂貴，每天將消耗近100萬個(gè)黃金圓柱和燃料膠囊。
更簡單的方法是去掉圓柱，將激光束直接照射到燃料膠囊上使其蒸發(fā)。這就要求羅徹斯特大學(xué)提供更高質(zhì)量的激光束——能量均勻地分布在波前上，以完美對稱的方式會(huì)聚。
2月5日，羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室在《自然—物理學(xué)》的論文中報(bào)告，他們調(diào)整了太空艙的設(shè)計(jì)，在聚合物外殼中添加硅以提高能量吸收，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最好的一次是利用2.15兆焦耳的脈沖產(chǎn)生1.6兆焦耳能量。雖然沒實(shí)現(xiàn)能量增益，但確實(shí)會(huì)使等離子體燃燒。
盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的Robbie Scott認(rèn)為，這是一個(gè)好消息，因?yàn)槿サ魣A柱體用激光直接驅(qū)動(dòng)的效率將是以前的5倍。
據(jù)報(bào)道，幾家初創(chuàng)公司已經(jīng)計(jì)劃將該技術(shù)商業(yè)化。羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室最近也接連獲得多項(xiàng)美國能源部、美國國家科學(xué)基金會(huì)等機(jī)構(gòu)的經(jīng)費(fèi)支持。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.065102
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02361-4
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