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新智元报道  
编辑:编辑部
【新智元导读】昨晚,发布会正式召开,LLNL实验室可控核聚变点火成功,人造太阳指日可待了?
酝酿了一整天的等待,可控核聚变的重磅消息终于被证实了。
在12月13日晚的新闻发布会上,美国能源部部长和LLNL的科学家们共同宣布了这项有关「无限清洁能源」的重大科学突破!
有史以来第一次,人类实现了核聚变反应的净能量增益,也就是说,让核聚变反应产生的能量多于了这一过程中消耗的能量——核聚变点火。而这也让惯性聚变能(IFE)的科学基础首次得到了证实。
据官方介绍,LLNL在向目标提供2.05兆焦耳(MJ)的能量之后,产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出,能量增益约为1.5。
对此,美国能源部长Jennifer M. Granholm表示:「这是一个历史性的时刻,自此以后,游戏规则将会被永远改变。」
当然,被改变的不只有清洁能源的未来,更有美国的军事力量。
拜登政府表示,NIF这一里程碑式的突破,可以帮助美国在不进行传统核试验的情况下保持核威慑力。
美国参议院多数党领袖查尔斯·舒默也表示:「在今年的《国防授权法》中,ICF项目将获得有史以来最高的拨款——超过6.24亿美元,从而让这个惊人的突破更进一步。」
清洁能源的「圣杯」
核聚变被认为是清洁能源生产领域的「圣杯」。因为它能够为太阳等恒星提供动力,而且可以在几乎没有污染的情况下产生大量能量。
几十年来,能够接近这一圣杯,是全世界科学家的愿望。
而现在,这一圣杯被LLNL的科学家「摘下」了。
12月5日,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家在核聚变研究方面取得了重大突破,首次产生了能量净增益。
不过,这次实验产生的能量只够烧开15-20壶水。
此外,尽管该实验产生的能量比激光器输入的能量高,但与激光器工作所需供能(约300兆焦耳)相比则低得多。
显然,在投入大规模商用之前,这个过程还需要不断重复和完善,而且它产生的能量也必须得到显著提高才行。
但是想一想,前方可是「无限清洁能源」这一光明的目标啊!
毕竟与核裂变(主要在核电站和原子弹中使用)相比,核聚变的放射性废物要少得多,而且不会发生可能导致反应堆熔毁的失控链式反应。
对此,哥伦比亚大学应用物理学教授Carlos Paz-Soldan表示,该实验是人类在可控核聚变领域一个重要的里程碑。
因为它证明了:核聚变反应的「净能量增益」是确实可行的。
虽然内爆在十亿分之一秒内就结束了,但这段时间足以为研究核武器的科学家提供重要数据。
LLNL的这个实验,酝酿了至少有十年,并且曾在大约一年前,到达了一个里程碑。
在2021年8月的一次测试中,LLNL的激光簇的输出达到了创纪录的新水平,在100万亿分之一秒内产生了10千万亿瓦的聚变功率。
上次的聚变反应产生了激光发射能量的70%,而这次,输出的能量完全大于了消耗的能量。
商业化:不用等五六十年
目前的核聚变反应堆,通常使用以下两种方法来产生所需的热量:
磁约束反应堆(托卡马克环形反应堆),除了辅助热源外,还会使用磁铁来加热和容纳氢原子;
基于激光的系统,则使用大量的激光脉冲来轰击氢原子。
托卡马克装置的工作原理是,加热到超过1亿摄氏度时,会产生旋转的氢同位素等离子体,它们将会碰撞,而产生聚变反应。超级磁铁产生的磁场随后会将等离子体包含起来,以防止其破坏反应堆。
而两种反应堆的最大区别,在于聚变反应所需的时间。
磁反应堆可以使聚变过程持续更长时间,但需要更多的能量。
相比之下,基于激光的反应堆,可以让核聚变在很短的时间内发生,而且现在已经一定程度上跨过了净能量增益的门槛。
但是,作为激光反应堆代表的LLNL,虽然拥有迄今为止最强大的系统,能够将192束激光束聚焦在一个目标上,但每几个小时才能发射一次。
而如果想要将聚变反应堆应用于商业发电,就需要让激光器每秒加热目标10次。这并非根本不可能,但从工程角度来看,是非常困难的。
不过,此次实验的成功,还是证明了核聚变反应商业化的可能。
在发布会现场,美国能源部部长表示,核聚变的商业化,或许可能会在未来的「几个」十年内实现,但大概率不是之前说的50-60年。
到了那一天,人类可以产生几乎无碳的电力,这对于地球的生态环境意义重大。
不仅如此,核聚变依赖的是宇宙中含量最丰富的燃料——氢,并且,氢的聚变副产品是相对温和的元素氦。
在核裂变中,链式反应可能会失控。但核聚变则完全不同,它只是开始得比较困难而已。
耗资35亿美元的国家点火装置
LLNL建造的国家点火装置(NIP),耗资35亿美元。
它的雏形诞生于60多年前。
在20世纪60年代,LLNL的一组先锋科学家就作出假设:激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。
在物理学家John Nuckolls的领导下,这一革命性的想法演变为惯性约束核聚变。
为了实现这一概念,LLNL建立了一系列越来越强大的激光系统,最终建立了世界上最大、能量最强的NIF。
NIF有一个体育场那么大,它强大的激光束,可以创造出像恒星和巨行星的核心,以及核武器爆炸时的温度和压力。
在此次实验中,激光器模仿了太阳中心的条件,将重氢同位素,氘和氚,融合成氦。
具体来说,若干氢气小球被放入胡椒粒大小的装置中,然后使用强大的192束激光,加热和压缩氢燃料。
激光在进入环空器后,会击中内壁并使其发出X射线,然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度——比太阳中心还热,并将其压缩到地球大气层的1000亿倍以上。
高能激光会使小球表面等离子体化,其余中心材料受到牛顿第三定律驱使,最终会向中央坍缩发生内爆。
在内爆时,只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应——也就是「点火」,随之便会放出大量能量。
不过,对于美国来说更重要的是,那些从事核储备的科学家可以绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核爆,转而以较小的规模进行核反应实验,并从中收集数据。
LLNL的武器物理和设计项目主任Mark Herrmann表示,这种输出,即30000万亿瓦特的功率,本身就创造了非常极端的环境,更加接近于核武器爆炸。
有分析人士也指出,作为武器的氢弹中的氘氚是凝聚态,并用原子弹压缩实现瞬时整体核反应。在激光惯性约束产生核聚变中,氘氚也是凝聚态,不同点是用激光压缩。如此一来便开辟了研究氢弹的新途径。
「核聚变」与「核裂变」
那么,还处在研究阶段的核聚变与现在广泛应用的核裂变,究竟有什么不同呢?
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        左:核裂变;右:核聚变
        什么是核裂变?
        就像细胞分裂一样,在核裂变中,一个原子会分裂成更小的粒子,并放出原子核的结合能。
        这种能量将会以热能和辐射的形式释放,其中热能被用来将水加热成蒸汽,进而使涡轮机转动并驱动发电机发电。
        在实际操作中,核电站首先会将铀置于钢制反应堆容器内的密封金属圆筒中,然后向铀原子发射中子,使其分裂并释放出更多的中子。这些中子击中其他原子,形成链式反应,分裂出更多的原子,以热和辐射的形式释放能量。
        作为靶核的铀235原子会分裂成氪和钡原子核,同时还有三个额外的中子,通过撞击其他铀235原子产生裂变链式反应。
        什么是核聚变?
        核聚变是结合原子核以产生能量的过程,其释放的能量是裂变的数倍,并且不会产生长期的放射性废物。
        聚变核电站的运行方式与裂变核电站类似,利用原子反应产生的热量来加热水、产生蒸汽、驱动涡轮机和发电,但要在聚变反应堆中创造发电条件,同时满足能量消耗低于能量生成,一直是个难以克服的挑战。
        核聚变反应堆通常使用一种可从海水中提取的氢同位素,称为氘(氢-2)。当受到高热和高压时,电子被迫离开氘原子,产生等离子体。
        这种等离子体是一种过热的电离气体,需要用强磁场来控制,因为它的温度可以达到1亿摄氏度以上,是太阳核心温度的十倍。
        辅助加热系统将温度提高到核聚变所需的水平(1.5-3亿摄氏度),通电的等离子体粒子发生碰撞并加热。这些条件允许高能粒子在碰撞时克服其自然电磁排斥力,将它们融合在一起并释放出巨大的能量。
        关键区别是什么?
        尽管核聚变和核裂变都使用原子能,但这两个过程之间有一些关键的区别:
        核裂变在原子分裂时释放能量,而核聚变在原子结合时释放能量;
        核聚变反应释放的能量比核裂变更多;
        核聚变不会像核裂变那样产生有害的长期放射性废物;
        核聚变的完成需要更多的能量。
        总结一下
        虽然,现在的我们需要数十亿美元,才能煮沸15-20个水壶里的水。
        虽然,核聚变要真正应用于发电站,或许还需要数十年的研究和突破。
        但是在60年的尺度上,人类已经取得了重大的突破。
        对于未来,我们也应抱有更多的想象力。
        参考资料:
        https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
        https://nuclear.duke-energy.com/2021/05/27/fission-vs-fusion-whats-the-difference-6843001
        https://en.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility
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