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2023-01-31
可控核聚變突破沒帶來實用化，只是漫長道路上的一小步
更新時間：2022-12-15 18:02:02作者：智慧百科
選自wired
作者：Gregory Barber
機(jī)器之心編譯
編輯：澤南
美國科學(xué)家實現(xiàn)了人類長期追求的聚變點火目標(biāo)——但不要指望這種技術(shù)能夠為電網(wǎng)供電。
12 月 5 日，美國勞倫斯利弗莫爾實驗室的鍍金鼓內(nèi)，一組科學(xué)家精巧地重現(xiàn)了為太陽提供動力的物理學(xué)。
這項深夜進(jìn)行的實驗包括向膠囊發(fā)射 192 束激光，膠囊中裝有一個裝滿氫原子的胡椒粒大小的顆粒。其中一些通常相互排斥的原子被擠壓在一起并融合在一起，完成一個產(chǎn)生能量的過程。
LLNL 國家點火裝置的靶室包含 192 束紫外線激光束，能夠?qū)⒊^ 2 兆焦耳的能量輸送到單個微型燃料顆粒中。
按照地球聚變反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這是大量的能量。多年來，科學(xué)家們一直在進(jìn)行這種類型的實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的能量還不足以供給維持系統(tǒng)本身。這一次，人們終于實現(xiàn)了正循環(huán)。
這一壯舉被稱為點火，對于那些研究聚變的人來說是一個巨大的勝利。人們只需仰望星空，就知道這種能量來源是可能的——將兩個氫原子結(jié)合產(chǎn)生一個氦原子會導(dǎo)致質(zhì)量損失，根據(jù)著名的 E = mc^2 公式釋放出巨量的能量。自 1970 年代以來，我們一直在這條道路上緩緩前行，當(dāng)時科學(xué)家首次定義了點火目標(biāo)，有時也稱為「盈虧平衡」。
去年，勞倫斯利弗莫爾實驗室國家點火裝置（NIF）的研究人員已經(jīng)接近成功，用核聚變產(chǎn)生了他們發(fā)射到實驗中的大約 70% 的激光能量。人們繼續(xù)進(jìn)行實驗，終于在 12 月 5 日凌晨 1 點剛過獲得了完美的結(jié)果：輸入兩兆焦耳，輸出了三兆焦耳，能量增加了 50%。
「這表明我們是可以做到的，」美國能源部長珍妮弗 · 格蘭霍姆在新聞發(fā)布會上說道。
對于像斯坦福大學(xué)的 Mark Cappelli 這樣的聚變科學(xué)家來說，這是一個激動人心的結(jié)果。但他同時提醒說，那些寄希望于核聚變在不久的將來成為一種豐富、零碳排放和無廢料的能源的人可能會失望。
分歧點在于如何定義能量收支平衡。NIF 研究人員表示，他們在實驗中獲得的能量與他們發(fā)射的激光一樣多——這是一項巨大的、期待已久的成就。但問題在于，這些激光器消耗的能量只占系統(tǒng)總功率的一小部分。如果計算得更全面，NIF 獲得的收益遠(yuǎn)小于投入。
「這種程度的收支平衡是非常、非常片面的，」Cappelli 說道?！高€有幾十年的路要走，也許還有半個世紀(jì)。」
問題在于低效的激光器，使用 NIF 的方法產(chǎn)生聚變能包括將數(shù)十束光束射入稱為空腔的金圓柱體，將其加熱到超過 300 萬攝氏度。激光不直接瞄準(zhǔn)燃料，他們的目標(biāo)是產(chǎn)生「X 射線湯」，密歇根大學(xué)的核聚變研究員 Carolyn Kuranz 介紹道。它們轟擊由氫同位素氘和氚組成的微小燃料顆粒，并將其壓碎。這必須以完美的對稱精度完成，即實現(xiàn)「穩(wěn)定內(nèi)爆」，否則顆粒會起皺，燃料無法充分加熱。
為了實現(xiàn)上周的結(jié)果，NIF 研究人員使用改進(jìn)的計算機(jī)模型來增強(qiáng)容納燃料的膠囊的設(shè)計，并校準(zhǔn)激光束以產(chǎn)生恰到好處的 X 射線色散。
現(xiàn)在這些激光器每個脈沖發(fā)射大約 2 兆焦耳的能量。對于核聚變科學(xué)家來說，這樣的水平令人興奮。它僅相當(dāng)于大約運(yùn)行吹風(fēng)機(jī) 15 分鐘所消耗的能量——但在百萬分之一秒內(nèi)一次性全部釋放。在 NIF 產(chǎn)生這些光束需要一個幾乎有足球場那么大的空間，里面裝滿了閃光燈，可以激發(fā)激光棒并傳播光束。僅此一項就需要 300 兆焦耳的能量，其中大部分都損失掉了。
再加上冷卻系統(tǒng)和計算機(jī)層，你很快就能明白比聚變產(chǎn)生的能量相比，輸入需要耗費(fèi)的甚至是高出多個數(shù)量級的能量。因此，根據(jù) Cappelli 的說法，實用化聚變的第一步是使用更高效的激光器。
而且在能量方程的另一邊，問題還在繼續(xù)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)將其產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的效率約為 40%。而對于聚變，這可能更接近于 10-20%。如今的研究甚至還沒有考慮到這種類型的轉(zhuǎn)化。
根據(jù)定義，聚變實驗是破壞性的測試。燃料芯塊設(shè)計為一次性粉碎，聚變能量的釋放破壞了周圍的儀器，鏡子被強(qiáng)大的激光損壞。為了產(chǎn)生持續(xù)的能量，科學(xué)家們需要弄清楚如何反復(fù)發(fā)射強(qiáng)大的激光，并在它們面前放置許多顆粒。
這可能涉及每分鐘發(fā)射多個彈丸和激光，相比之下，NIF 目前每天發(fā)射次數(shù)僅為 3 次。不過，科學(xué)家們表示，12 月 13 日宣布的進(jìn)展意義仍然重大。這種被稱為「慣性限制」的聚變實驗被忽視的一個方面是激光本身是一種相對較新的技術(shù)——比核裂變等技術(shù)更新。
「與 1960 年代首次出現(xiàn)的激光器相比，我們今天擁有的多兆焦耳激光器是一項了不起的工程壯舉，」Carolyn Kuranz 說道。
NIF 研究人員利用這種能量所做的工作比許多人想象得要多。有些人認(rèn)為，要接近點火，可能需要 10 兆焦耳或更多的激光能量。此外，自 NIF 于 1999 年破土動工以來的幾十年里，激光器一直在不斷改進(jìn)，這意味著下一代技術(shù)擁有更多的可能性。
激光方向的進(jìn)展很令人興奮，因為在過去，與另一種稱為「磁約束」（托卡馬克）的聚變技術(shù)相比，慣性約束受到的關(guān)注較少。托卡馬克是一種甜甜圈形裝置，其中氫氣被加熱成等離子體，然后被磁場捕獲。商業(yè)聚變公司普遍采用磁鐵路線，部分原因是激光的挑戰(zhàn)。但最近，慣性設(shè)施得到了更多投資——今天的成功可能意味著未來會有更多投資。
那么核聚變會有助于解決氣候變化問題嗎？在「幾十年」的范圍內(nèi)，實際的時間表仍然模糊不清。但在新聞發(fā)布會上，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任 Kimberly Budil 表示：「如果我們能夠投入大量精力，并保持注意力，這個時間表會更近一些?！?/p>
「盡管今天宣布了這一消息，但核聚變既不商業(yè)化也不接近商業(yè)化，因此它仍然是試驗性技術(shù)，」斯坦福大學(xué)能源研究員 Mark Jacobson 說道。他主張對太陽能、風(fēng)能和水力發(fā)電等可用解決方案進(jìn)行更多投資。事實上，你很難找到一位認(rèn)為核聚變將在未來十年內(nèi)出現(xiàn)的等離子體物理學(xué)家。
近一個世紀(jì)以來，自從天文學(xué)家亞瑟 · 愛丁頓推測了為太陽提供動力的氫和氦之間的關(guān)系以來，人們一直被建造一座像恒星一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電廠的可能性所吸引。
這一目標(biāo)被全球科學(xué)家追尋著，卻顯得難以捉摸，甚至有可能是我們這一代無法親眼目睹的?！肝艺J(rèn)為我們應(yīng)該樂觀地看待這個問題，」加州大學(xué)圣地亞哥分校研究托卡馬克設(shè)計的研究科學(xué)家 Dmitri Orlov 說道?！肝覀兘裉炀拖窨粗鴭雰痕橎菍W(xué)步。而最終，它將跑一場馬拉松?！?/p>
參考內(nèi)容：
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7
https://www.wired.com/story/the-real-fusion-energy-breakthrough-is-still-decades-away/
https://lasers.llnl.gov/about/how-nif-works