跳至正文

美国激光核聚变“重大突破”!激动之余要了解这些…

It’s a crucial milestone in the decades-long
quest to develop a new, potentially limitless form of carbon-free
energy — and a step that U.S. scientists have achieved ahead of
those in Europe and China.https://t.co/hV90rFStKp

— POLITICO (@politico)
December 13, 2022

美国国家点火装置(NIF)首次成功实现了能量输出大于激光能量输入的可控核聚变反应,这是核聚变领域的一次突破。

图注:工程师在激光靶室内部工作的情景。

腾讯太空 乔辉

美西时间2022年12月13日7点,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布,该机构的国家点火装置(NIF)首次成功实现了能量输出大于激光能量输入的可控核聚变反应。据悉,驱动核聚变的激光输入能量大约2.1兆焦,而聚变输出的能量大约2.5兆焦,用术语来讲就是实现了大于1的能量增益(实现盈利)。

要注意的是,如果考虑到从电能到激光能量的转换效率,整体的能量增益尚未大于1(尚未盈利)。但无论如何,这的确是一项非常重要的进展,人类在实用化可控核聚变的道路上又前进了一大步。

图注:NIF的前置激光放大器。早在2012年就实现了500太瓦的瞬时峰值输出功率,几乎相当于美国全境用电功率的1000倍。

这种利用激光打靶实现核聚变的方式是一种“惯性约束核聚变”。简单讲,科学家利用强激光脉冲快速注入核聚变材料中,在聚变材料还没来得及散开的情况下达到点火条件,瞬间实现聚变反应。

图注:NIF激光惯性核聚变使用的燃料靶丸,里面可盛放氘氚气体。

图注:激光打靶腔室。

另一种可控核聚变方式是磁约束核聚变,我们时常能听到的“托克马克“就是磁约束聚变的一种常用构型。

什么是可控核聚变?

在核物理上,核聚变是指把较轻的原子核聚合成较重原子核的过程。其实,我们头顶上灿烂的太阳和浪漫的星星(恒星)都是一个个的天然核聚变装置。

图注:太阳就是一种引力约束的天然核聚变堆。

但恒星是靠自身引力约束的核聚变装置,人类在地球上无法复制和模仿。另外,人类早在1952年就实现了不可控的核聚变反应,那就是氢弹爆炸!

图注:氘氚核聚变原理图。

要想实现可控核聚变反应,必须要使等离子体达到“劳森判据”的条件,简单讲就是要使等离子体的温度、密度和约束时间三者的乘积达到一个阈值才行。这个点火条件实现起来可不容易,人类已为此付出了半个多世纪的努力。

如何实现可控核聚变?

目前,可控核聚变有两个大的方向:一种是利用强激光对核聚变材料进行打靶的惯性约束核聚变的方向;另一种是利用强磁场约束等离子体的聚变方向。

本次曝出“大新闻”的美国国家点火装置(NIF),就是利用强激光打靶的惯性约束核聚变方式的最具代表性的实验装置。从机理上看,这种方式犹如用激光引爆一颗颗微型氢弹。

图注:NIF上使用的巨大“闪光灯”,用于泵浦激光。

文章开始我们也提到,利用磁场约束的核聚变方法,最出名的构型是“托克马克”装置,这种装置最早由苏联物理学家首先提出并建造的,是目前主流的核聚变装置类型,包括位于安徽合肥的——全超导托克马克核聚变实验装置(EAST),又称东方超环、以及正在法国建设中的国际热核聚变实验装置(ITER)等等。

图注:ITER建成后的效果图。

此外,还有一种叫“仿星器”的磁约束核聚变构型。德国马普等离子体物理研究所拥有世界上最大的仿星器研究装置,名字叫“Wendelstein
7-X”, Wendelstein是德国巴伐利亚州一座山的名字。该装置在 2018
年实现了更高的温度、更高的等离子体密度和更长的脉冲时间,突破了仿星器的世界纪录。

除了惯性约束装置和磁约束装置,目前还有其他机理的约束装置,但目前还处于初级探索阶段,这里就不详谈了。

何时才能实现可控核聚变发电?

人类对核聚变能源已梦想了很久很久,因为核聚变几乎是一种“一劳永逸”的能源问题的终极解决方式。计算表明,一升海水中提取出的氘元素如果用于聚变反应,释放的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。

此前,在科学圈有个段子,我们离用上核聚变发的电永远要等50年。但随着科学技术的进步,我们离这个目标不会再用50年了。李建刚院士曾说:“可控聚变是人类共同的梦想,拥有非常重要的意义。未来,我们希望能用20年时间,实现可控聚变工程化和商业化的进程。”

由于聚变也是太阳发光的能量来源,这种在地球上人工控制聚变的实验装置又被称作“人造太阳“,那就让我们一起期待地球上的“人造太阳”早日升起吧。