核聚变发电有希望了?美国或宣布首次实行核聚变能量增益,输出大于输入

在这个寒冷的冬天,相信很多人都体会到了动力的重要性。

为了方便、高效地取得清洁动力,人们很早就将目光投向了核能技术,尤其是被称为清洁动力圣杯的「可控核聚变」。

核聚变,又称融合反响,是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反响形式。两个较轻的核在融合历程中爆发质量耗损而释放出巨大的能量,这一能量是核裂变反响的四倍。

核聚变发电有希望了?美国或宣布首次实行核聚变能量增益,输出大于输入

之前,我们已经在氢弹中见识过核聚变的威力。但氢弹属于不可控核聚变,不能用来发电,而受控核聚变则是将核聚变反响控制在安全范围,也即人们所说的「人造太阳」。

在太阳中,其巨大的引力所爆发的极端压力为核聚变的爆发创造了条件,它把众多原子核拘束在一个小空间内,同时让它们在胜过 1000 万摄氏度的极高温度下相互碰撞,以使它们能够克服相互间的电排斥力。一旦原子核克服了这种排斥力并加入彼此非常接近的范围,它们之间的核力吸引力将胜过电排斥力,从而使它们能够实行聚变。

在地球上,我们须要胜过 1 亿摄氏度的温度和强大的压力,以使氘和氚爆发聚变,还须要充分的拘束,使等离子体和聚变反响保持足够长的时间,以取得净功率增益。也就是说,虽然核聚变释放的能量惊人,但整个可控核聚变历程也耗费了大量的能量,避免这种耗费的诀窍是让反响历程自我维持,使得输出的能量比输入的能量多,并且让这个历程持续而不是短暂地进行一次。如此一来,聚变能才能成为可用的动力。这是国际上公认的可控核聚变难题。

在过去的几十年里,热核聚变钻研形成了两大分支,一是磁拘束聚变,主攻方向是托卡马克安装(比如中国的东方超环 (EAST) 和国际热核聚变尝试堆(ITER)),另外还有仿星器,反向场箍缩及磁镜等安装。另一平行钻研分支是惯性拘束聚变,主攻方向是激光聚变,另外还在钻研轻、重离子束聚变及其它安装。

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用托卡马克和仿星器实行磁聚变拘束。

昨天,英国《金融时报》等媒体报道称,美国劳伦斯利弗莫尔国家尝试室(LLNL)的国家点火安装(NIF)已经在一项使用激光的惯性拘束聚变尝试中取得了重大突破,首次实行了聚变反响的净能量增益

报道称,这项尝试是通过用世界上最大的激光撞击一个微小的等离子体颗粒来实行的。尝试安装由近 200 台激光器组成,有三个足球场那么大,用高能量轰击一个小点,以启动核聚变反响。

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一种基于激光的惯性拘束聚变钻研安装,图中技术人员使用服务系统升降机加入目标室内部。

据悉,LLNL 的尝试取得了成功,聚变反响爆发了大约 2.5 兆焦耳的能量,大约是激光所耗费的 2.1 兆焦耳能量的 120%。整个尝试数据分析仍在进行中。由于高于预期的能量输出损坏了一些诊断设备,后续分析变得复杂。

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图中所示为空腔胶囊内的目标弹丸,激光束从两端的开口加入。光束将目标压缩并加热到爆发核聚变的必要条件。

至于尝试的细节,美国动力部预计将在美国太平洋时间周二上午 7 点(北京时间周二 23 点)左右进行直播介绍

伦敦帝国理工学院惯性聚变钻研中心联合主任 Jeremy Chittenden 评价说,「这是一个真正的突破性时刻,非常令人兴奋」。

但他也表示,尽管从核聚变中取得净能量是一件大事,但与为电网供电和为建筑物供暖所需的能量相比,它的规模要小得多。

「这相当于烧开 10 壶水。」「为了把它变成一个发电站,我们须要取得更多的动力,我们须要多得多的动力。」Chittenden 说。

「虽然这一结果是自 1930 年代以来科学探索的一个重要里程碑,但加入利弗莫尔反响的能量与从中取得的能量之比须要提高约 100 倍,才能爆发商业规模的电力。」一位消息人士发表了类似的看法。

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美国劳伦斯利弗莫尔国家尝试室。

几十年来,科学家们一直在试验聚变反响,直到现在他们才能够创造出一种爆发的能量多于耗费的能量的安装。尽管成就显着,但前方仍面临巨大的工程和科学挑战。就拿发电站来说,他们要考虑如何经济地控制热量,以及如何保持激光持续发射等问题,不过这项钻研也利好聚变发电厂的发展,包括英联邦聚变系统公司、加拿大核聚变技术开发商 General Fusion 等。

将来如果核聚变实行商业化(支持者称这可能在十年或更长时间内爆发)会带来很多好处,它能爆发几乎无碳的电力,这有助于应对气候变化,不会像裂变那样爆发放射性核废料反响堆。

可控核聚变也吸引了包括比尔 · 盖茨、杰夫 · 贝佐斯和约翰 · 杜尔等在内的投资者目光,他们向核聚变公司投入了大量资金。根据聚变工业协会 (Fusion industry Association) 的数据,私营企业去年就取得了胜过 28 亿美元的融资,近年来总共取得了约 50 亿美元融资。

参考链接:

https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7

https://www.cnn.com/2022/12/12/politics/nuclear-fusion-energy-us-scientists-climate/index.html

https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/article2021111901# (https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/article2021111901)

https://hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=55304

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