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核聚变取得突破,“人造太阳”却很遥远

2022-12-14 15:35来源:能源新媒关键词:核聚变人造太阳核能收藏点赞

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12月13日,美国加利福尼亚劳伦斯-利弗莫尔国家实验室宣布,在该实验室一次核聚变实验中,核聚变反应产生的能量超过所消耗的能量。这无疑是核聚变研究历史上最具突破性的进展。

来源:能源新媒 作者:武魏楠

人类历史第一次

与核裂变不同,核聚变是将两个源自融合的一种核反应形式,在这一过程中会释放出巨大的能量。最为人们所熟知的核聚变技术就是太阳,因此可控核聚变技术也被称为“人造太阳”。

1940年代,随着曼哈顿计划的开展,核聚变研究也开始逐步推进。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。如果想要有效利用核聚变的能量,人类还必须掌握可控核聚变技术。

但长期以来聚变反应总是无法实现净能量增加,即消耗能量总是超过反应产生的能量。

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室此次成功的核聚变实验,是人类历史上第一次实现净能量核聚变反应。

白宫科学顾问阿拉蒂·普拉巴卡尔 (Arati Prabhakar) 周二上午在美国能源部举行的新闻发布会上说:“这是实现可能性、实现科学里程碑以及通往清洁能源可能性之路的绝佳例子。”

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的研究人员将多达192束巨型激光发射到一个称为 hohlraum的厘米长金圆柱体中。强烈的能量将容器加热到超过300万摄氏度——比太阳表面还热——并在X射线下照射内部胡椒粒大小的燃料颗粒。

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X射线剥离了颗粒的表面并引发了类似火箭的内爆,将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能看到的极端。内爆达到每秒400公里的速度,导致氘和氚聚变。

根据爱因斯坦方程E=mc2,每对融合的氢原子核都会产生一个较轻的氦原子核和能量爆发。氘很容易从海水中提取,而氚可以从地壳中的锂中提取。

在最新的实验中,研究人员输入了2.05兆焦耳的激光能量,输出了大约3.15兆焦耳——大约增加了50%,这表明颗粒中的聚变反应正在推动进一步的聚变反应。美国国家核安全管理局的Marvin Adams博士说:“产生能量所花费的时间比光传播一英寸所花费的时间还少。”

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室是实现核聚变的装置被成为国家点火装置。该装置1997年开始建设,2009年开始运营。直到2014年才第一次实现微弱的能量输出——大约相当于60瓦灯泡亮了5分钟的能量。

今年9月,国家点火装置进行了第一次2.05兆焦耳的激光发射,产生了1.2兆焦耳的聚变能量。在经过调整后,实现了净能量输出。

遥远的商业应用

然而这次“重大突破”并不能意味着核聚变技术很快能运用到发电等实际领域。

首先,所谓的净能量的增加实际上并没有考虑到为激光器供电所需要的300兆焦耳能量。如果考虑到这部分能量,那么核聚变距离净能量输出还有很大的差距。

其次,实验室里的相关设备价格昂贵,发电成本可能是现有发电技术的成百上千倍。而且国家点火装置有一个体育场那么大,完全无法进行商业化开发。最后,核聚变所产生的能量如何转化为电能,实际上也没有进行相关实践和研究。

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室主任金布迪尔博士说,只要有足够的投资,“几十年的研究就可以让我们有能力建造一座发电厂。”

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)核科学与工程教授伊恩·H·哈钦森则认为,劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的突破更多地代表了科学实证,该实验室研究的目标是了解核聚变而并非将其实际应用。

“从某种意义上说,一切都在改变;另一方面,一切都没有改变,”牛津大学物理学教授兼牛津高能密度科学中心主任贾斯汀·沃克说。“这个结果证明了大多数物理学家一直相信的——在实验室中聚变是可能的。然而,制造像商业反应堆这样的东西需要克服的障碍是巨大的,绝不能低估。”

相比于存在潜在风险的核裂变技术,科学家们认为核聚变技术是更可行的未来能源解决方案。

与使用铀和钚等高浓缩放射性物质作为燃料的裂变反应堆不同,聚变反应堆理论上可以由氢作为燃料,氢是宇宙中最丰富的元素;这意味着聚变反应堆的燃料供应基本上是无限的。

此外,与裂变反应堆不同,聚变反应堆不会产生高放射性废料,因此无需安全储存这些危险的材料。在某些情况下,放射性材料甚至会在数千年里持续具有危险性。

再者,尽管发生聚变需要极端的条件,但聚变反应堆被认为比裂变反应堆更安全;裂变反应堆必须不断地监测,以避免导致不稳定和爆炸的条件。

目前全球核聚变研究有两种主要的技术路线。第一种方法是通过磁约束进行核聚变。在一个巨大的反应堆中,轻氢原子(氘和氚)被加热。然后材料处于等离子体状态,是一种密度很低的气体。它是通过磁场控制的,在磁铁的帮助下获得。

第二种方法是惯性约束,这也正是此次实现突破的技术路线。高能量的激光被送入一个顶针大装有氢气的圆筒内,即被称为托卡马克的环形反应堆。在反应堆内,氢气被加热到足够高的温度,以至于电子从氢原子核中剥离出来,形成所谓的等离子体——带正电的原子核和带负电的电子组成的云。磁场将等离子体困在圆圈内,原子核聚变在一起,以中子的形式释放能量向外飞。

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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