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今日最新!核聚變凈產(chǎn)能0.3度,史上首次扭虧為盈 2022-12-15 22:43:15  來源:36氪

12月13日,美國那邊傳來了一個核聚變領(lǐng)域的大新聞——勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的“國家點(diǎn)火裝置”取得了前所未有的重大突破。


(資料圖片僅供參考)

在實(shí)驗(yàn)中,這個裝置輸入了總能量為2.05兆焦的激光,引發(fā)了氘氚聚變反應(yīng),最終輸出了3.15兆焦的能量。

別看輸出能量沒多少,連1度電都不到(1度電 = 3.6兆焦),但輸出能量與輸入能量的比值Q達(dá)到了1.54,意味著輸出能量比輸入能量大了50%還多。

而在此之前的幾十年里,人類進(jìn)行過無數(shù)次核聚變試驗(yàn),能量方面全都入不敷出。(好吧,氫彈除外……)

這是史上第一次,人類在可控核聚變試驗(yàn)中做到了Q>1,實(shí)現(xiàn)了能量正增益!

美國“國家點(diǎn)火裝置”的前置放大器支撐結(jié)構(gòu) |Damien Jemison/LLNL

核聚變,未來能源終極夢想

核聚變,顧名思義,就是兩個或多個較輕的原子核結(jié)合,生成1個較重的原子核。

在太陽內(nèi)部,就時刻進(jìn)行著四個氫原子核(質(zhì)子)聚變成一個氦原子核的反應(yīng),將原子核中的一部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量,最終以光和熱的形式釋放出來,普照萬物。

核聚變?nèi)剂峡梢詮暮K刑崛?,號稱“取之不盡,用之不竭”。 如果能把核聚變反應(yīng)搬到地球上來為我所用, 人類將一舉解決未來的能源問題,并有希望減少對化石燃料的依賴,扭轉(zhuǎn)全球氣候變暖的趨勢,前景十分美好!

早在70年前,人類就在地球上成功實(shí)現(xiàn)了核聚變——1952年,史上 首顆氫彈試爆成功,釋放出的能量超過1000萬噸TNT同時爆炸。 但那些能量無法被人類利用,因?yàn)槟鞘遣豢煽氐暮吮ā偛荒茈S隨便便就炸顆氫彈拿來發(fā)電用吧……

1952年,首顆氫彈試爆形成的蘑菇云 |美國能源部

想要實(shí)現(xiàn)人類未來能源的終極夢想,單把核聚變搬到地球上還不夠,聚變能量必須以較溫和的方式源源不斷地釋放出來,實(shí)現(xiàn)所謂的 可控核聚變才行 。

為此,人類努力了幾十年,開發(fā)出了多種可控核聚變試驗(yàn)裝置,通過不同的途徑達(dá)成并維持類似太陽核心處的極端環(huán)境——那是核聚變反應(yīng)得以發(fā)生的先決條件。

毫無疑問,這是需要消耗能量的。理論上說,只要由此引發(fā)的核聚變反應(yīng)能夠產(chǎn)生更多的能量,完全補(bǔ)償啟動核聚變所消耗的能量,讓可控核聚變自我維持下去,那這件事就算成了。

現(xiàn)在,你大概可以理解,“國家點(diǎn)火裝置”做到Q>1,有多么非同小可了。美國能源部對此也極為看重,甚至在正式發(fā)布成果之前還專門開了媒體吹風(fēng)會。

那么,這個“國家點(diǎn)火裝置”是何方神圣?實(shí)現(xiàn)了能量正增益之后,核聚變發(fā)電是不是就近在咫尺了呢?

慣性約束激光核聚變原理 |美國能源部

NIF,美國國家點(diǎn)火裝置

美國“國家點(diǎn)火裝置”,全名叫National Ignition Facility,縮寫為NIF,1997年開建,2009年建成,是一種慣性約束激光核聚變試驗(yàn)裝置。

它所實(shí)現(xiàn)的核聚變反應(yīng),稱為氘氚聚變。

地球上很難實(shí)現(xiàn)太陽核心處那種高溫高壓高密度的環(huán)境,太陽內(nèi)部四個質(zhì)子聚變成一個氦核的過程也很復(fù)雜,條件比較苛刻。相比之下,氘氚聚變的要求要稍低一些。

氘氚都是氫的同位素:氘原子核是一個質(zhì)子加一個中子,氚原子核是一個質(zhì)子加兩個中子。它倆聚變會生成一個氦原子核,并釋放出一個中子。

氫的3種同位素:氕、氘、氚,其中氕最為常見

要想實(shí)現(xiàn)氘氚核聚變同樣不易。兩個原子核都帶正電,距離越近,電荷產(chǎn)生的排斥力就越大。要讓它們發(fā)生聚變,距離需要接近到10-15米,也就是一根頭發(fā)絲兒的500億分之一,溫度也必須要達(dá)到上億度才行。

有多種方法可以產(chǎn)生這樣的極端環(huán)境實(shí)現(xiàn)可控核聚變,比如磁約束(即托克馬克)、仿星器等。其中最為簡單粗暴的,當(dāng)屬NIF所采用的慣性約束。它的原理很簡單,就是把很多路強(qiáng)激光束聚焦在一個特別小的點(diǎn)上,從而引發(fā)核聚變。

NIF裝置的靶室 |LLNL

NIF裝置使用了192路紫外激光,一次能打出2.05兆焦的能量,大概相當(dāng)于0.57度電。看起來并不大,但這是在3納秒(1納秒 = 1x10-9秒)之內(nèi)發(fā)出的脈沖,瞬間的功率相當(dāng)于美國所有電站功率的大約1000倍。

在這些激光束所聚焦的地方,放置了一個黃金制成的“黑腔”。黑腔的中心就是靶丸,直徑只有2~3mm。

NIF裝置的靶丸 |Damien Jemison/LLNL

192路激光分成上下兩束射進(jìn)黑腔,產(chǎn)生強(qiáng)大的X射線,將靶丸的外殼瞬間變成等離子體。

向四周飛散的離子產(chǎn)生反作用力,以400千米/秒的速度極度壓縮靶丸裝有氘氚燃料的內(nèi)層,達(dá)到上億度的高溫和數(shù)千億個大氣壓。

然后,“呯”的一聲,在靶丸中心區(qū)域引發(fā)核聚變。

所謂“慣性約束”,是指靶丸外殼和燃料向內(nèi)壓縮的過程,會在慣性作用下,將高密度狀態(tài)維持一段時間。

激光射入黑腔,X射線照射靶丸 |Jacob Long/LLNL

這個過程說起來容易,做起來卻極難。

要產(chǎn)生如此高能量的激光束,需要極為龐大和復(fù)雜的裝置;192路激光要恰好會聚在黑腔的兩端;產(chǎn)生的X射線要均勻地壓縮靶丸;中心區(qū)域聚變開始后,要在靶丸飛散之前,讓盡可能多的燃料發(fā)生聚變;等等等等。

這里的每一項(xiàng),都是高科技,都是拿錢燒出來的。

而美國這次實(shí)現(xiàn)的能量正增益,指的就是靶丸核聚變產(chǎn)生的能量已經(jīng)大于產(chǎn)生激光所消耗的能量,滿足了核聚變反應(yīng)能夠“自持”的先決條件。

這確實(shí)算得上是一項(xiàng)里程碑式的成就,

那是不是說明,核聚變發(fā)電就快要實(shí)現(xiàn)了呢?

還差得遠(yuǎn)!

核聚變發(fā)電?不,是你天真了……

簡單來說,NIF就不是為了核聚變發(fā)電而設(shè)計(jì)的。

想要真正實(shí)現(xiàn)核聚變自持,需要連續(xù)不斷地更換新的黑腔和靶丸,實(shí)現(xiàn)每秒10次的頻率,并把聚變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成電能,再用它來發(fā)出激光。

而NIF的慣性約束聚變卻是一錘子買賣,每進(jìn)行一次試驗(yàn)后,需要再過4-5個小時,才能開始下一次。更何況,它折騰完一次核聚變,產(chǎn)生的能量都不到1度電,和夢想中的核聚變發(fā)電差距實(shí)在太大了。

另外,如何把核聚變產(chǎn)生的能量收集起來也是個大難題。

氘氚聚變會產(chǎn)生一個14.1兆電子伏的快中子,聚變能量有80%都在這個快中子的身上。要想捕獲這部分能量很不容易,因?yàn)榭熘凶涌梢院茌p易地穿透金屬材料而逃走,需要在外面設(shè)置中子屏蔽和冷卻裝置,并用產(chǎn)生的熱量來發(fā)電。

這些能力都不是NIF所能具備的,因此把能量轉(zhuǎn)化成電能根本無從談起。

技術(shù)人員進(jìn)入NIF靶室內(nèi)部進(jìn)行檢查和維護(hù) |Philip Saltonstall/LLNL

而且,就算假設(shè)NIF能夠連軸運(yùn)轉(zhuǎn),就算真能實(shí)現(xiàn)能量百分百轉(zhuǎn)化為電能,它還存在著一個“致命缺陷”,那就是——

要產(chǎn)生2.05兆焦的激光,所耗費(fèi)的能量可遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止2.05兆焦。各種設(shè)備都需要要冷卻,再加上激光的損耗,消耗的電能比這0.57度電可要大得多。

因此即使NIF宣稱實(shí)現(xiàn)了Q=1.54,那也只是一個理想值,它仍然實(shí)現(xiàn)不了自持核聚變。

要知道,NIF裝置可是個燒錢無底洞,12年的建設(shè)共耗資35億美元,快趕上一艘核動力航母了。如此一來,你大概會產(chǎn)生這樣一個疑問:為了這么一個不能發(fā)電的核聚變裝置,美國人為什么投錢投得這么大方呢?

奧秘就在于NIF模擬核試驗(yàn)的能力。

NIF裝置的黑腔和靶丸結(jié)構(gòu)其實(shí)挺像一枚微型氫彈的。在大多數(shù)國家已經(jīng)簽署《全面禁止核試驗(yàn)》條約的大背景下,使用所謂的“科學(xué)裝置”來變相地進(jìn)行核試驗(yàn),才是NIF更重要的使命。

NIF的激光傳輸系統(tǒng) |Jacqueline McBride/LLNL

這次NIF實(shí)現(xiàn)能量正增益,在武器層面上會帶來很大好處,有助于設(shè)計(jì)更大當(dāng)量或者更加小型化的氫彈。

而人們心心念念的核聚變發(fā)電,想要真正實(shí)現(xiàn),恐怕還有待時日。

再等 5040 30年肯定要的!

NIF裝置實(shí)現(xiàn)Q>1,是一項(xiàng)貨真價(jià)實(shí)的重大突破,但慣性約束聚變裝置的固有特點(diǎn),使它在持續(xù)發(fā)電方面有著天生的劣勢。

相比之下,另一種磁約束聚變裝置就比較有優(yōu)勢了。例如,正在建設(shè)中的“國際熱核試驗(yàn)堆”ITER,目標(biāo)就是Q>10。

ITER是一個磁約束聚變裝置,即“托克馬克”。它的原理是把極高溫度的等離子體用磁場約束在一個環(huán)形腔室內(nèi),并維持足夠長的時間。

這樣一來,氘氚燃料就能在腔內(nèi)持續(xù)聚變和輸出能量,而腔室外面設(shè)置的含鋰包層則可以吸收中子能量并轉(zhuǎn)化成熱能。

ITER的設(shè)計(jì)聚變功率是50萬千瓦,相當(dāng)于一座小型火電廠,但I(xiàn)TER仍然不能發(fā)電,只會用于測試聚變能量的轉(zhuǎn)化。

ITER結(jié)構(gòu)原理示意圖 |ITER

但作為一個多國聯(lián)合開展的項(xiàng)目(我國也有參與),ITER最大的問題是“拖延癥”。由于種種原因,ITER的進(jìn)展極其緩慢,建成時間一拖再拖。目前的說法是2025年建成,不過說實(shí)話,我看懸。

而在ITER成功之后,要真正實(shí)現(xiàn)發(fā)電還要建設(shè)聚變示范堆,實(shí)現(xiàn)商用估計(jì)還要等更久。所以人們說“核聚變發(fā)電永遠(yuǎn)還需要再等50年”,并不是一點(diǎn)道理也沒有。

現(xiàn)在,慣性約束的NIF裝置實(shí)現(xiàn)了Q>1,相信對ITER的建設(shè)也是一個刺激。

可控核聚變一直存在慣性約束和磁約束這兩大路線之爭,美國一直偏愛慣性約束,這可能與它對模擬核試驗(yàn)的興趣有關(guān),歐洲和日本就更傾向于磁約束的托克馬克裝置。

或許,NIF此次取得突破,能夠倒逼ITER加快進(jìn)度,把“50年”縮短成40年甚至30年,也不一定。(但肯定不可能再短了……)

對于想要和平利用核聚變的人類來說,這也能算是大功一件了吧。

關(guān)鍵詞: 國家點(diǎn)火裝置 輸出能量 等離子體

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