多年研究沒有進(jìn)展，如今終獲突破
來源：機(jī)器之心 編輯：澤南、陳萍
可控核聚變實(shí)現(xiàn)「還要 50 年」，現(xiàn)在還剩多少年？
可控核聚變，終于首次實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。
在 12 月 13 日一場全球矚目的發(fā)布會上，美國能源部（DOE）和能源部國家核安全管理局（NNSA）宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）實(shí)現(xiàn)了聚變點(diǎn)火，在公布的結(jié)果中，他們首次在可控核聚變實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的凈能量增益，即通過核聚變產(chǎn)生的能量比激發(fā)聚變所需能量更多，在實(shí)驗(yàn)室就能再現(xiàn)太陽的能量。
12 月 5 日，國家點(diǎn)火裝置的一個團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了史上第一個受控聚變實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了科學(xué)能量平衡的里程碑，這意味著從聚變中產(chǎn)生的能量多于用于驅(qū)動它的激光能量。
這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是通過用世界上最大的激光撞擊一個微小的等離子體顆粒來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)裝置由近 200 臺激光器組成，有三個足球場那么大，用高能量轟擊一個小點(diǎn)，以啟動核聚變反應(yīng)。
核聚變意味著兩個或更多原子融合成一個更大的原子，這一過程會產(chǎn)生大量的熱能。人類一直希望能夠利用這種能量為全球電網(wǎng)提供清潔能源。過去幾十年間，科學(xué)家們一直在嘗試在可控環(huán)境中用氫原子聚變產(chǎn)生氦氣和中子。
在聚變發(fā)生后，合成物的質(zhì)量會比最初制造它們的部分更輕，丟失的質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為巨大的能量。
E=MC2，這是太陽等恒星中一直發(fā)生的反應(yīng)。
如果核聚變技術(shù)能夠大規(guī)模應(yīng)用，它將提供一種沒有污染和溫室氣體的能源，也不會產(chǎn)生放射性廢料。
「這是通往清潔能源可能性之路的絕佳方法，一個多世紀(jì)以來，我們對核聚變有了理論上的了解，但從了解到實(shí)踐的過程可能是漫長而艱巨的?！拱讓m科學(xué)顧問 Arati Prabhakar 在能源部的新聞發(fā)布會上表示。
「這是科學(xué)界具有歷史意義的一天，這要?dú)w功于 LLNL 和國家點(diǎn)火裝置。在取得這一突破時，他們開啟了 NNSA 庫存管理計(jì)劃（Stockpile Stewardship Program）的新篇章?！筃NSA 局長 Jill Hruby 表示。
一直以來，在可控核聚變實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)消耗的能量總是比核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量還要多。直到昨天情況發(fā)生了變化，國家點(diǎn)火裝置中的 192 個巨型激光對一個橡皮擦大小的小圓筒進(jìn)行轟擊，圓筒內(nèi)裝有一個鉆石包裹的凍結(jié)氫核。激光束從圓柱體的頂部和底部射入，使圓柱體汽化。這產(chǎn)生了向內(nèi)的 X 射線沖擊，壓縮了氘和氚（較重的氫形式）燃料芯塊。
在持續(xù)不到萬億分之一秒的短暫瞬間，2.05 兆焦耳的能量（大致相當(dāng)于一磅 TNT）轟擊了氫氣球（hydrogen pellet）。大量中子粒子（聚變的產(chǎn)物）流出，攜帶了大約 3 兆焦耳的能量，能量增益約為 1.5。
多年研究沒有進(jìn)展，如今終獲突破
這一結(jié)果為聚變研究人員打了一針強(qiáng)心針，因?yàn)殚L期以來他們一直因承諾過高和交付不足而受到批評。
其實(shí)這項(xiàng)研究早在 1997 年就開始了，然而，到 2009 年開始運(yùn)營時，在投資了 35 億美元后，該設(shè)施幾乎沒有產(chǎn)生任何聚變。直到 2014 年，利弗莫爾的科學(xué)家們終于取得了一些成功，但國家點(diǎn)火裝置產(chǎn)生的能量非常小——相當(dāng)于 60 瓦燈泡在五分鐘內(nèi)消耗的能量。接下來幾年的進(jìn)展也微乎其微。
然而，去年 8 月，該設(shè)施產(chǎn)生了更大的能量爆發(fā)，產(chǎn)生的能量占到激光能量的 70%。利弗莫爾研究所武器物理與設(shè)計(jì)項(xiàng)目主管 Mark Herrmann 在接受采訪時表示，研究人員隨后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以更好地了解取得成功的原因。
研究者 9 月份進(jìn)行了第一次 2.05 兆焦耳的激光發(fā)射，第一次嘗試產(chǎn)生了 1.2 兆焦耳的聚變能。之后他們對這一結(jié)果進(jìn)行分析，得出球形氫氣顆粒沒有被均勻擠壓，部分氫氣從側(cè)面噴出，沒有達(dá)到聚變溫度。
科學(xué)家們在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些更好的調(diào)整。
為進(jìn)行聚變點(diǎn)火，國家點(diǎn)火裝置的激光能量在空腔內(nèi)轉(zhuǎn)化為 X 射線，然后壓縮燃料艙直至內(nèi)爆，產(chǎn)生高溫高壓等離子體。
「我們的預(yù)計(jì)是達(dá)到兩倍的比值，事實(shí)上它能達(dá)到的程度不止于此，」Herrmann 說道。
核聚變本質(zhì)上是一種零排放能源，大規(guī)模應(yīng)用可以顯著減少燃煤和天然氣發(fā)電廠的需求，降低碳排放。但要實(shí)現(xiàn)廣泛、實(shí)用的核聚變還需要相當(dāng)長的時間。在可控核聚變領(lǐng)域有一個著名的「50 年悖論」：距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)只有 50 年，然而為了讓核聚變「可控」，科學(xué)家們已經(jīng)研究了 50 多年，我們眼前的預(yù)期仍然是 50 年……
「可能需要幾十年，」LLNL 董事 Kimberly S. Budil 在周二的新聞發(fā)布會上說?！覆皇橇?，我認(rèn)為也不是五十年，這是我們過去常說的。我認(rèn)為它正在走向前臺，可能通過共同努力和投資，對基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行幾十年的研究可以使我們能夠建造一座發(fā)電廠。」
除了對于能源的需求，現(xiàn)在可控核聚變的實(shí)用化又有了新的一層意義。大量氣候科學(xué)家和政策制定者表示，要實(shí)現(xiàn)將升溫限制在 2 攝氏度以內(nèi)的目標(biāo)，或者更雄心勃勃的升溫 1.5 攝氏度的目標(biāo)，世界必須到 2050 年實(shí)現(xiàn)凈零排放。
迄今為止的聚變努力主要使用被稱為托卡馬克的環(huán)形反應(yīng)堆。在反應(yīng)堆內(nèi)，氫氣被加熱到足夠高的溫度，以至于電子從氫原子核中剝離出來形成等離子體——帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的云。磁場將等離子體困在甜甜圈形狀內(nèi)，原子核聚變在一起，以中子的形式釋放能量向外飛。
勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置靶艙。
NIF 采用了不同的方法，但到目前為止，將激光聚變發(fā)電廠的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的工作很少?！钙渲写嬖诤艽笳系K，不僅在科學(xué)方面，而且在技術(shù)方面，」Budil 說道。
NIF 自帶全球最強(qiáng)大的激光，但它是一種緩慢且低效的激光，依賴于幾十年的老技術(shù)。該設(shè)備大約有一個體育場那么大，旨在進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，而不是作為發(fā)電的原型。
它每周啟動約 10 次，而使用激光聚變方法的潛在商業(yè)核設(shè)施需要更快的激光器，能夠以機(jī)關(guān)槍的速度射擊，大約每秒 10 次。
NIF 消耗的能量也仍然比聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量多得多。盡管與入射激光束中 2.05 兆焦耳的能量相比，最新的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了凈能量增益，但 NIF 需要從電網(wǎng)中提取 300 兆焦耳的能量才能產(chǎn)生短暫的激光脈沖。
其他類型的激光器效率更高，但專家表示，一個可行的激光聚變發(fā)電廠可能需要比在最新的聚變發(fā)射中觀察到的 1.5 更高的能量增益。
「你需要增加到 30-100 才能達(dá)到發(fā)電廠的需求，」 Herrmann 表示?！高@是我們在接下來的幾年里要認(rèn)真考慮的事情，這些實(shí)驗(yàn)表明，激光能量的微小差異也會產(chǎn)生很大的不同?！估ツ獱枌⒗^續(xù)推動 NIF 聚變實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到更高的聚變輸出。
其他一些實(shí)驗(yàn)室的研究者也在研究 NIF 實(shí)驗(yàn)的變體。不同波長的其他類型的激光可能會更有效地加熱氫氣。一些人贊成激光聚變直接驅(qū)動的方法，即使用激光直接加熱氫。這將使更多的能量進(jìn)入氫氣，但也可能產(chǎn)生阻礙聚變反應(yīng)的不穩(wěn)定性。
激光點(diǎn)火是核聚變的一條路徑，雖然并不一定是最好的，但既然它已被證明可以實(shí)現(xiàn)，我們或許可以預(yù)見全球范圍內(nèi)相關(guān)研究投入的大量增加。
不論如何，利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室取得的成果是可控核聚變研究的重要一步。羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的首席科學(xué)家 Riccardo Betti 表示：「這是一個里程碑，人類在實(shí)驗(yàn)室中首次點(diǎn)燃了核燃料?！?/p>
參考內(nèi)容：
https://news.ycombinator.com/item?id=33971377
https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/h_9d2eaed5a3c62ddf0eeed4ad4743943b
https://www.nytimes.com/2022/12/13/science/nuclear-fusion-energy-breakthrough.html
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
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