機器之心報道
編輯:杜偉、澤南
通過世界最大的雷射,研究人員首次誘導聚變燃料自行輸出能量超過了輸入熱量,實作了一種稱為燃燒等離子體的現象。
憑借 192 束雷射以及比太陽中心高三倍以上的溫度,科學家們在通往幾乎無污染聚變能源的漫長道路上(至少在幾分之一秒内)達到了一個關鍵的裡程碑。
今日,美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置(National Ignition Facility)研究者的一項研究登上了最新一期的《自然》雜志的封面。研究者成功地激發了一種持續很短時間的聚變反應,這是一項重大的壯舉,因為聚變需要非常高的溫度和壓力,很容易熄滅。
這項研究的最終目标是像太陽産生熱量一樣實作發電,通過壓碎氫原子并使它們彼此靠近,然後生成氦以釋放大量的能量。但是,自理論提出以來,人們和這個目标的距離一直是「需要數年時間」。
一支有 100 多人參與的團隊在論文《Burning plasma achieved in inertial fusion》中發表了四項實驗的結果,并展示了他們取得的成就——燃燒等離子體( burning plasma)。有了這些結果以及 2021 年 8 月釋出的跟蹤實驗初步結果,研究者表示他們即将迎來一個更大的進展——點火(ignition)。到那時,燃料可以繼續自己「燃燒」,也将産生比激發最初反應所需能量更多的能量。
論文共同一作、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實驗實體學家 Alex Zylstra 表示,「我們離實作下一步目标非常近了。」
核聚變(nuclear fusion)将水分子中的兩種氫(氘和氚,氫的兩種同位素或形式)壓在一起。當它們融合時,沒有參與此項研究的密歇根大學實驗等離子體實體學家 Carolyn Kuranz 表示,「少量(毫克)的燃料會産生大量的能量,并且非常『幹淨』,不會生成放射性廢棄物。這基本上是無限的清潔能源,并可以部署在任何地方。」
研究回顧
幾十年來,世界各地的研究人員一直緻力于這項研究,嘗試了不同的方法。其中,35 個國家在法國南部合作開展了一個名為國際熱核試驗反應堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)的項目,該項目使用巨大的磁性材料來控制過熱的等離子體。該項目預計将于 2026 年營運。
同樣沒有參與這項研究的普林斯頓等離子體實體實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory)主任 Steven Cowley 介紹道,美國和英國開展的早期實驗成功地融合了原子,但沒有實作自發熱。
位于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的 NIF 目标灣(Target Bay)。該系統使用 192 束雷射束彙聚在巨大球體的中心,使一個微小的氫燃料芯塊(hydrogen fuel pellet)内爆。圖源:Lawrence Livermore National Laboratory
但現在不能指望核聚變實用化。共同一作、倫斯利弗莫爾國家實驗室首席科學家 Omar Hurricane 表示,「在科學上,這些結果令我們非常興奮。但我們離實作有效能量(useful energy)還有很長的路要走。也許需要幾十年。」
美國國家點火裝置(NIF)。
技術概覽
獲得燃燒等離子體是實作自持(self-sustaining)聚變能量的關鍵一步。燃燒等離子體是一種等離子體,其中聚變反應本身是等離子體中加熱的主要來源,對于維持和傳播燃燒是必需的,可以實作高能量增益。
經過數十年的聚變研究,研究者在實驗室中實作了燃燒等離子體狀态,其中一個雷射裝置可以在燃料膠囊中提供高達 1.9 兆焦耳的脈沖能量,峰值功率高達 500 太瓦。他們使用雷射在輻射腔中産生 X 射線,然後通過 X 射線燒蝕壓力間接驅動燃料膠囊,進而使得内爆過程通過機械功壓縮和加熱燃料。
這些實驗表明,聚變自熱(fusion self-heating)超過了注入内爆的機械功,滿足了幾項燃燒等離子體名額。此外,研究者描述了一個似乎已經跨越靜态自熱邊界的實驗子集,其中聚變加熱超過了輻射和傳導的能量損失。這些結果為在實驗室中研究以 α 粒子為主的等離子體和燃燒等離子體實體學提供了機會。
評估燃燒等離子體的簡單名額。
此前,研究者在實驗室中已經花了好幾年的時間,而且很多嘗試都失敗了。他們做出了調整:将燃料膠囊( fuel capsule)增大了 10%。
燃料膠囊裝在一個微小的黃金金屬柱體中,研究者将 192 束雷射對準該柱體。研究者将它加熱到 1 億度,在燃料膠囊内部産生的壓力比太陽中心内部的壓力高出 50% 左右。Alex Zylstra 表示,這些實驗創造了持續了僅萬億分之一的燃燒等離子體,但這足以被認為是成功的。
用于融合的間接驅動慣性限制方法示意圖。
總的來說,該研究中做的四項實驗(分别做于 2020 年 11 月和 2021 年 2 月)産生了 0.17 兆焦耳(megajoule)的能量,遠遠超出了以往的嘗試,但仍然不到啟動該過程所用能量的十分之一。作為對比,一兆焦耳的能量大約可以将一加侖(約 3.8 升)的水加熱到 100 華氏度(約 37.8 攝氏度)。
與接近點火相關的參數空間。
根據之前的資訊,2021 年晚些時候所做實驗的初步結果仍在接受其他科學家的審查,當時研究者能量輸出達到了 1.3 兆焦耳,并持續了 100 萬億分之一秒。但即便如此,這個數值也低于達到收支平衡所需的 1.9 兆焦耳。
參考連結:
https://phys.org/news/2022-01-hot-lab-milestone-road-fusion.html
https://www.reuters.com/business/energy/researchers-achieve-milestone-path-toward-nuclear-fusion-energy-2022-01-26/