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八個月后,可控核聚變再次點火成功!輸出能量突破3.5兆焦耳,打破紀錄

人工智能 新聞
美國可控核聚變再次實現(xiàn)能量凈增益,最新輸出的能量已突破3.5兆焦耳。

美國可控核聚變實驗,再次實現(xiàn)凈能量增益!

去年12月14日,勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)首次實現(xiàn)可控核聚變點火成功,為全人類摘下清潔能源「圣杯」。

LLNL在向目標提供2.05兆焦耳(MJ)的能量之后,產生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出,能量增益約為1.5。 

7月30日,該實驗室復現(xiàn)了這一實驗。這一次,能量輸出大于3.5兆焦耳,比12月那次更高。這種能量可以為家用熨斗供電一個小時。

人類離無限零碳電力又近了一步。

再次點火成功!

和去年年底一樣,這次的消息,依然是由英國《金融時報》曝出。

LLNL實驗室證實,這次的激光設施再次實現(xiàn)了能量增益,現(xiàn)正在對結果進行分析。

自去年12月首次成功點火以來,研究者一直在進行實驗。7月30日的實驗中,他們在NIF上再次點火成功。

實驗結果將在科學會議和同行評審出版物上發(fā)表。

未來能源路線或將徹底改變

簡單地說,「核聚變」就是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核,并釋放出巨大能量的過程。

圖片

兩個氫原子碰撞并聚合成氦原子,氦的質量比原來的氫原子略小。根據愛因斯坦標志性的E=mc2質能方程,這個質量差會轉化為能量爆發(fā)出來。

在太陽的核心,每秒都在發(fā)生6.2億噸氫的核聚變。產生的能量,是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚變的一大難題之一,就是如何讓核聚變反應釋放的能量大于輸入的能量,并且讓過程可持續(xù)。

從上世紀50年代以來,無數的物理學家就一直希望從核聚變反應中產生比消耗更多的能量。

如果攻克了這個最大的難題,人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源,徹底改變未來的能源路線圖。

也就是說,到了那時,就不再有煤和石油燃燒產生的溫室氣體,不再有危險、長效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」。

這意味著進入電氣時代后,一直困擾著人類的能源緊缺問題將從此消失。

人類甚至能在可控核聚變帶來的恒星級能源中,實現(xiàn)前所未有的科技突破。

NIF點火原理

20世紀60年代,LLNL的一組先鋒科學家就作出假設:激光可以用來在實驗室環(huán)境中誘導核聚變。

隨后,在物理學家John Nuckolls的領導下,這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。

為了實現(xiàn)這一概念,LLNL建立了一系列越來越強大的激光系統(tǒng),最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。

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實驗中,激光器模仿了太陽中心的條件,將重氫同位素,氘和氚,融合成氦。

首先,若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中,然后使用強大的192束激光,加熱和壓縮氫燃料。

激光在進入環(huán)空器后,會擊中內壁并使其發(fā)出X射線,然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽中心還熱,并將其壓縮到地球大氣壓的1000億倍以上。

高能激光會使小球表面等離子體化,其余中心材料受到牛頓第三定律驅使,最終會向中央坍縮發(fā)生內爆。

在內爆時,只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈式反應——也就是「點火」,隨之便會放出大量能量。

進展正在加快

完成核聚變從0到1的這一步我們走了60年,但從1到100000我們只用了8個月。

倫敦帝國理工學院的Jeremy Chittenden說,大多數物理學家認為LLNL 2021年的實驗是人類歷史上可控核聚變真正的里程碑。

在這次實驗中,證明了使用NIF的可控核聚變反應堆能夠實現(xiàn)。

而在2022年12月,被媒體瘋狂報道的人類第一次獲得的可控核聚變帶來的「凈增量能源」,只是2021年實驗所證明的結果——對之前產量的進一步提升。

這次實驗也是如此,LLNL提取到的能量比前一次增加了。這表示科學家們現(xiàn)在已經知道了如何把握實驗中的細節(jié),以產生更多的能量。

但這距離NIF的激光完全燃燒反應物產生的能量還差得遠。

Chittenden表示在目前LLNL的實驗中,僅有百分之幾的燃料被反應了。

但這次LLNL所取得的進步足以證明,在突破0到1的桎梏后,可控核聚變的進步將一路狂飆。

核聚變發(fā)電問題已被解決?

但是這次成功點火,也并不意味著聚變發(fā)電已經成功解決。

其中一個大問題,就是激光的低效。

雖然反應堆的輸出高于激光的輸出,但激光本身效率非常低。為了產生2.1兆焦耳的能量,它們需要500萬億瓦特,這比整個美國國家電網的輸出還要多。(也就是此前屢屢被人調侃的35億美元燒開10壺水)

所以,以后的重大挑戰(zhàn)是,如何創(chuàng)造一個反應,讓總能量需求達到平衡,而不僅僅是最后激光階段的反應。

另一個問題是,NIF反應堆只能點火一次,持續(xù)幾十億分之一秒,然后就必須花幾個小時冷卻組件,才能再次啟動。

而如果想要將聚變反應堆應用于商業(yè)發(fā)電,就需要讓激光器每秒加熱目標10次。這并非根本不可能,但從工程角度來看,是非常困難的。

并且,即使一個反應堆可以長時間運行,且通過激光抵消其真正的能量需求,它仍然只是達到了收支平衡。

如果想讓核聚變成為全新的能源方案,就必須能夠提取大量的凈能量。唯有如此,才能讓建造反應堆的巨大成本物有所值。

另一種核聚變裝置:托卡馬克反應堆

目前的核聚變反應堆,通常使用以下兩種方法來產生所需的熱量:

  • 磁約束反應堆(托卡馬克環(huán)形反應堆),除了輔助熱源外,還會使用磁鐵來加熱和容納氫原子;
  • 基于激光的系統(tǒng),則使用大量的激光脈沖來轟擊氫原子。

托卡馬克裝置的工作原理是,加熱到超過1億攝氏度時,會產生旋轉的氫同位素等離子體,它們將會碰撞,而產生聚變反應。超級磁鐵產生的磁場隨后會將等離子體包含起來,以防止其破壞反應堆。

而兩種反應堆的最大區(qū)別,在于聚變反應所需的時間。

磁反應堆可以使聚變過程持續(xù)更長時間,但需要更多的能量;相比之下,基于激光的反應堆,可以讓核聚變在很短的時間內發(fā)生,而且現(xiàn)在已經一定程度上跨過了凈能量增益的門檻。

在托卡馬克裝置中,需要依靠強磁場實現(xiàn)對高溫等離子體的約束,因此超導磁體是核心部件之一。

獲得同樣的聚變功率,提高磁場強度,能夠有效縮小托卡馬克裝置的規(guī)模和造價。

責任編輯:張燕妮 來源: 新智元
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