@ 2024.02.07 , 07:04

激光驱动的聚变反应首次“打破平衡”

2022年12月,美国国家点火装置的科学家宣布了一个历史性的里程碑:他们的激光驱动的聚变反应首次“打破了平衡”,产生的能量超过了它消耗的能量。

但是像这样的重大进展需要经过严格的检验——而这可能需要一些时间。

重要的是,一系列详细介绍了实验设计、技术进步和最初突破反应结果的论文刚刚通过了同行评审,这意味着没有参与这项工作的研究人员已经审核了方法和发现,以检查计算是否正确。

“这一成就是五十多年研究的顶峰,证明了基于基本物理原理的实验室聚变是可能的,”间接驱动惯性约束聚变(ICF)合作组的成员在五篇论文中的第一篇中写道。

如果能够控制和扩大,核聚变承诺提供一个丰富的、无穷尽的清洁能源,不会产生化石燃料的温室气体排放或核裂变的放射性废物。聚变是两个或更多的原子合并成一个更大的原子,同时释放能量的过程。

这些基于实验室的反应与商业规模的应用相去甚远,它们在微小的规模上模仿了我们的太阳和恒星的聚变反应。没有太阳的质量来提供一些重力的推动,地球上聚变原子的方法依赖于热量。

在这种特殊的聚变技术中,这种热量是通过一股强大的光来传递的。实验涉及用192个高功率的激光轰击一个包含微不足道的220微克的氘和氚燃料的胶囊,这使得压力升到6000亿个大气压,温度升到151百万°C(272百万°F)。

这些条件,远远超过了太阳内部的条件,导致燃料爆炸,氘和氚原子聚变成氦并释放能量。

在2022年12月的突破性实验中,激光向燃料发射了2.05兆焦(MJ)的能量,产生了3.15兆焦的能量——所以大约1.5倍的能量是由反应产生的,而不是输送到燃料中的。

新的论文详细介绍了实现“打破平衡”的进展,包括调整燃料混合比,消除胶囊壁上的缺陷,增加豌豆大小的胶囊的质量,提高激光能量,和增加使用的燃料的量。

通过所谓的点火阈值,预示着聚变研究的新时代,这一进程并没有放缓:研究人员在去年的几次实验中发射了更强能的激光,并产生了更多的能量。

研究人员还报告了他们最近的一次实验的结果,这次实验是在2023年年中进行的,它从相同的2.05兆焦的能量输入中产生了3.88兆焦的能量——大约是注入的能量的1.9倍,这是迄今为止的最高产量。

然而,要记住的是,这些实验中用来驱动激光的能量是巨大的:500万亿瓦,或者是美国国家能源网在任何时刻产生的功率的一千倍。所以,在这些聚变反应实际上产生的能量超过了引发它们的能量之前,还有很长的路要走。

“我们有可能实现聚变,”伯明翰大学的核物理学家Martin Freer告诉《新科学家》的Matthew Sparks。“但是我们面临的挑战是相当陡峭的,从科学上讲。”

尽管核聚变承诺了清洁能源,科学家们也强调,核聚变不是我们应对气候危机所需要的即时解决方案。

曼彻斯特大学的核聚变研究员Aneeqa Khan说,商业核聚变设施仍然是几十年之后的事,而我们需要在未来6年内——到2030年——将全球碳排放减少近一半,才能扭转气候。

幸运的是,我们已经拥有了可再生能源技术来做到这一点。

本文译自 ScienceAlert,由 BALI 编辑发布。

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想毕业 2024年02月07日 08:53 / 山西省太原市1楼
我怎么记得十年前就输出大于输入了,好像是欧洲国家点火装置(简写忘了)
#11992347 / 举报 / OO [4] / XX [12]
大飞飞 2024年02月07日 11:01 / 上海市2楼
是之前签对赌协议的厂吗?
#11992572 / 举报 / OO [5] / XX [12]
ZHX 2024年02月07日 12:29 / 四川省德阳市3楼
(美国)国家点火实验装置,高能激光照射中间的小球,引发聚变反应。原本就是设计用来研究核弹的。
你想啊,点一次火,就一瞬间,然后还得重新加小球,激光还得重新充能。说研究聚变发电,纯粹是副业。
主流还是托卡马克,因为可持续输出。
#11992794 / 举报 / OO [7] / XX [22]
celk 2024年02月08日 00:01 / 广东省广州市4楼
@想毕业 没记错的,(美国)国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)在2014年就公布过“首次”输入大于输出
当时的Nature上的报道:https://www.nature.com/articles/nature13008
然后在2022年又公布一次“首次”输入大于输出
当时实验室官网上的报道:https://www.llnl.gov/article/49306/lawrence-livermore-national-laboratory-achieves-fusion-ignition
真要说的话,这两次“首次输入大于输出”都没错,而且未来还有机会再说一次(或者不止一次),我已经见怪不怪了。

NIF的惯性约束核聚变路线的能量转化要分以下几步:
首先电能用来产生红外激光,这一步有非常高的损耗,大约是输入100%电能、输出1%能量的红外激光的水平。
其次红外激光用光学倍频转换成紫外激光,这一步损耗大约50%。
然后紫外激光打在环形空腔里,让空腔壁被激发出X射线,这一步保留的还算多,大约80%留在X射线能量里。
不过射出的X射线并不能全部打在聚变胶囊上,只有10%~20%的X射线最终被胶囊吸收。
之后胶囊从外壁开始升温升压,传导到中心,点燃聚变反应,再往外烧(聚变燃料应该只有部分参与反应),释放能量。

2014年那次,算的是输出的能量约等于聚变胶囊吸收的X射线能量(就是50%*80%*20%=8%倍实验中输入的红外激光能量,这是按现在的效率算,当年的效率更低一些,聚变胶囊只用到了0.8%倍红外激光能量,也就是说输出的能量也在0.8%红外激光能量这个水平,就算是“大于”了)。
2022年那次,算的是输出的能量约等于输入的紫外激光能量(就是50%倍实验中输入的红外激光能量,也就是说输出的能量在0.5%倍实验输入电能的水平)。
每次都能说“大于”,我是见怪不怪了,跟政府讨饭也不容易。另外提一下,让能量均匀分布在胶囊表面并不容易,这要是做不到,温度和压力就不能同步到达胶囊中心点燃反应,所以说媒体只说在实验中“达成了输出大于输入”,他不会跟你说清楚这还得看一点运气,不是每道激光输入进去都能“输出大于输入”的。而在目前的设计里,虽然最后一步从激光转化为X射线损耗很大,但这是为了让能量分布尽可能均匀而付出的代价,让它成功点燃的概率更大一点。
#11993892 / 举报 / OO [12] / XX [2]
celk 2024年02月08日 09:31 / 广东省广州市5楼
@celk 顺带一提,说真的,每次一颗胶囊一颗胶囊地烧,我是根本看不出这能成为未来能源的可能性。
#11994155 / 举报 / OO [8] / XX [1]