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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。
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。
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12月30日晚,该院等离子体物理研究所有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
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现实中,中国真的有“人造太阳”,而且有两个:一个在安徽合肥西郊“科学岛”上的中国科学院合肥物质科学研究院内,是有着“东方超环”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(简称EAST);另一个则是位于四川成都中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号M装置(HL-2M)。
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