核聚變“里程碑” 卻只夠“洗個熱水澡”？
“我們經(jīng)過反復驗證，這樣的結果并不是曇花一現(xiàn)。”2月5日，美國科學家在《物理評論快報》《自然—物理學》等雜志發(fā)表一系列論文，證實勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的聚變反應堆產(chǎn)出了近兩倍于輸入的能量。
2022年12月，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室宣布，其聚變反應堆首次釋放出比投入更多的能量，成為聚變反應的里程碑事件。
相關數(shù)據(jù)在今年2月5日的論文中得到證實：當時發(fā)射了一個2.05兆焦耳的激光脈沖，產(chǎn)生3.15兆焦耳的能量。在之后的試驗中，能量輸出輸入比再次提高，在2023年9月4日達到1.9倍。
不過，業(yè)內(nèi)專家對該技術的商業(yè)化前景似乎并不樂觀。新科學家網(wǎng)站在報道中稱，這么小的能量輸出遠達不到商業(yè)運行的要求，只夠“洗個熱水澡”。
近日，美國聚變反應堆產(chǎn)出了近兩倍于輸入的能量。圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室
是否突破盈虧平衡點存爭議
目前人類使用的核電站都是依賴于裂變反應，分裂鈾等重原子核以釋放能量和更小的粒子。聚變則相反，將氘和氚等較輕的原子核聚在一起形成更重的氦原子核，同時釋放能量。聚變的優(yōu)勢是不產(chǎn)生放射性核廢料，但其實現(xiàn)可能還需要“永遠的50年”。
幾十年來，科學家們一直在努力達到產(chǎn)生這種反應所需的1億攝氏度或更高的溫度，采取的方式有幾種。
國際熱核聚變實驗堆（ITER）和中國的“人造小太陽”（EAST）均采用磁約束，即使用具有強磁性的大型托卡馬克裝置來穩(wěn)定和加熱等離子體燃料。
相比之下，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施（NIF）聚變裝置更為迷你，采用激光慣性約束的方法，使用強激光束來壓縮和加熱胡椒粒大小的氘和氚燃料膠囊，直到其核心的壓力和溫度能夠引爆聚變?nèi)紵Ｔ搶嶒炗?011年開始。
不過勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的Richard Town指出，NIF的主要工作是為美國核武器計劃提供關鍵研究。例如，將核彈的電子設備和有效載荷暴露在聚變反應發(fā)生時的中子轟擊下，以檢查它們在核戰(zhàn)爭中能否正常運行。
“直到上世紀90年代，激光慣性約束核聚變這一概念都是機密。”Town表示，NIF從未被當成原型反應堆建設，也沒有被優(yōu)化以提高產(chǎn)量。
2022年達到盈虧平衡點的消息似乎為核聚變電站的發(fā)展提供了希望。
不過是否真的實現(xiàn)盈虧平衡還存在爭議。
《科學》網(wǎng)站指出，3.15兆焦耳僅相當于三支炸藥的能量，而產(chǎn)生激光脈沖卻要消耗150倍能量。
新科學家網(wǎng)站則在報道中稱，“激光器消耗了500萬億瓦，比整個美國國家電網(wǎng)的輸出還要多，因此該實驗只是狹義地突破了所謂的盈虧平衡”。
業(yè)內(nèi)專家同樣不樂觀。英國伯明翰大學的Martin Freer表示，隨著科學實驗的進展，還是有可能實現(xiàn)聚變的，但從科學角度來看，面臨的挑戰(zhàn)相當嚴峻。
英國曼徹斯特大學的Aneeqa Khan反對將此次科學進展解讀為人類擺脫化石能源依賴的可能方案。她強調(diào)，核聚變實現(xiàn)商業(yè)化可能還需要幾十年的時間，且前提是加強全球合作和人才培養(yǎng)。
激光技術有待升級
要從實驗室發(fā)展到商業(yè)規(guī)模，首先要解決的就是規(guī)模放大。Town表示，如果升級激光器，有可能得到10倍產(chǎn)出比。“更大的‘錘子’總是有幫助的，”他說。
該實驗使用的激光器來源于美國羅切斯特大學激光能量學實驗室的OMEGA激光系統(tǒng)。
《科學》網(wǎng)站認為，利用激光產(chǎn)生聚變能的方法相對更簡單，有望更具成本效益，但前提是它可以擴大規(guī)模。主要挑戰(zhàn)在于，必須將燃料壓縮成完美的球形對稱，任何缺陷都會導致燃料不可預測地膨脹，從而降低核心溫度。
為了保證實驗中的對稱性，NIF用橡皮擦大小的黃金圓柱包圍燃料膠囊，再用192束激光光束從各個方向進行加熱，達到一定溫度后，圓柱體會發(fā)射x射線轟擊燃料膠囊。由于X射線的平滑效果，膠囊外殼會均勻地蒸發(fā)，然后像火箭發(fā)動機一樣向外爆炸，并對稱地向內(nèi)擠壓燃料。
不過，對于一個千兆瓦的發(fā)電廠來說，這項技術可能過于昂貴，每天將消耗近100萬個黃金圓柱和燃料膠囊。
更簡單的方法是去掉圓柱，將激光束直接照射到燃料膠囊上使其蒸發(fā)。這就要求羅徹斯特大學提供更高質(zhì)量的激光束——能量均勻地分布在波前上，以完美對稱的方式會聚。
2月5日，羅徹斯特大學激光能量學實驗室在《自然—物理學》的論文中報告，他們調(diào)整了太空艙的設計，在聚合物外殼中添加硅以提高能量吸收，實驗數(shù)據(jù)最好的一次是利用2.15兆焦耳的脈沖產(chǎn)生1.6兆焦耳能量。雖然沒實現(xiàn)能量增益，但確實會使等離子體燃燒。
盧瑟福-阿普爾頓實驗室的Robbie Scott認為，這是一個好消息，因為去掉圓柱體用激光直接驅(qū)動的效率將是以前的5倍。
據(jù)報道，幾家初創(chuàng)公司已經(jīng)計劃將該技術商業(yè)化。羅徹斯特大學激光能量學實驗室最近也接連獲得多項美國能源部、美國國家科學基金會等機構的經(jīng)費支持。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.065102
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02361-4
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