美国核聚变“里程碑”,为啥却说“只够洗个热水澡”?

作者: 陈欢欢

来源: 中国科学报

发布日期: 2024-02-16 09:02:59

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的聚变反应堆产出了近两倍于输入的能量,但专家对其商业化前景并不乐观,认为能量输出远达不到商业运行的要求。

2月5日,科学家在《物理评论快报》、《自然-物理学》等发表一系列论文,证实美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的聚变反应堆产出了近两倍于输入的能量。2022年12月,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布,其聚变反应堆首次释放出比投入更多的能量,成为聚变反应的里程碑事件。相关数据在上述论文中得到证实:当时发射了一个2.05兆焦耳的激光脉冲,产生3.15兆焦耳的能量,这相当于3根炸药的能量。

在之后的实验中,能量输出输入比再次提高,在2023年9月4日达到1.9倍。

不过,业内专家对该技术的商业化前景似乎并不乐观。有媒体称,这么小的能量输出远达不到商业运行的要求,只够“洗个热水澡”。目前人类使用的核电站都依赖于裂变反应,即分裂铀等重原子核以释放能量和更小的粒子。聚变则相反,它将氘和氚等较轻的原子核聚在一起形成更重的氦原子核,同时释放能量。几十年来,科学家一直在努力达到产生这种反应所需的1亿摄氏度或更高温度。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施(NIF)聚变装置很小,采用激光惯性约束的方法,使用强激光束压缩和加热胡椒粒大小的氘和氚燃料胶囊,直到后者核心的压力和温度能够引爆聚变反应。该实验开始于2011年。不过,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Richard Town指出,NIF从未被当成原型反应堆建设,也没有被优化以提高产能。2022年达到盈亏平衡点的消息似乎为核聚变电站的发展带来了希望。

不过,是否真的实现盈亏平衡还存在争议。

对此,业内专家并不乐观。英国伯明翰大学的Martin Freer表示,随着科学实验的进展,实现聚变是有可能的,但从科学角度来看,面临的挑战相当严峻。英国曼彻斯特大学的Aneeqa Khan反对将此次科学进展解读为人类摆脱化石能源依赖的可能方案。她强调,核聚变实现商业化可能还需要几十年,且前提是加强全球合作和人才培养。

从实验室发展到商业规模,首先要解决的问题是扩大规模。该实验使用的激光器来源于美国罗切斯特大学激光能量学实验室的OMEGA激光系统。Town表示,如果升级激光器,有可能得到10倍产出比。为了保证实验中的对称性,NIF用橡皮擦大小的黄金圆柱包围燃料胶囊,再用192束激光束从各个方向进行加热,达到一定温度后,圆柱体会发射X射线轰击燃料胶囊。

由于X射线的平滑效果,胶囊外壳会均匀蒸发,然后像火箭发动机一样向外爆发,并对称地向内挤压燃料。

不过,对于一个千兆瓦的发电厂来说,这项技术过于昂贵,每天将消耗近100万个黄金圆柱和燃料胶囊。更简单的方法是去掉圆柱,将激光束直接照射到燃料胶囊上从而使其蒸发。这就要求罗切斯特大学提供质量更高的激光束——能量均匀地分布在波前端,以完美对称的方式汇聚。

2月5日,罗切斯特大学激光能量学实验室在《自然-物理学》的论文中报告,他们调整了胶囊的设计,在聚合物外壳中添加硅以提高能量吸收,实验数据最好的一次是利用2.15兆焦耳的脉冲产生1.6兆焦耳的能量。虽然没实现能量增益,但确实会使等离子体燃烧。据报道,几家初创公司已计划将该技术商业化。

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