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美国宣布首次实现核聚变净能量增益,距离商业化还有多远?
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最后更新: 2022-12-14 13:40:00核聚变是怎么回事?
自核聚变技术1930年代诞生以来,该行业的口号似乎一直是“三十年内,我们有望建成可产出能源的核聚变反应堆”。早在1940年代,科学家们就开始试验聚变反应堆。虽然它们长期以来一直能够产生聚变反应,但直到现在,这些反应总是需要输入超过它们最终所产生的能量。
核聚变,是指将两个较轻的原子核结合,形成其他的核子;不过,一般来说“产生新原子”不是目的。该过程中,新生核子质量不及原来核子质量,质量没有守恒,多出的质量被转换为光子能量;产出的能量根据爱因斯坦著名的质能守恒方程“E=Mc^2(能量=质量x光速^2)”。科学家希望利用这一过程产出的能量。
质量最轻的核子分别是氢和氦,这两个元素在核聚变中最常见。太阳就是通过不断地将氢原子变成氦原子而持续释放热量,在其生命接近尾声时也将开始“燃烧”氦原子,因此核聚变也有时被称为“人造太阳”技术。
氘氚聚变反应(图源:IAEA)
不过,宇宙中最常见的氢同位素(同一原子不同的同位素,区别在于其中子数量,不过由于同位素之间质子数量一样,除了重量差异,日常化学反应上没有区别)是“氕”(即一个质子,占氢总量>99%),而氕需要100亿度左右的温度,才能突破两个质子(都是+1e电荷,正正相斥)之间的静电能量壁垒,从而结合。太阳中心“只有”1500万度,一度被认为无法实现核聚变,不过科学家后来发现,质子可以偶尔经由波函数的隧道,穿过这一障碍。即便如此,太阳每年也只能聚变其0.000000000001%的燃料,太阳的热量主要还是源于其巨大的基数。
而人类显然无法创造太阳这么大的反应堆基数。更大的问题是,太阳内的氕原子因太阳巨大的引力,很难自己“逃跑”,因此太阳可以维持自己当前的温度和压力(高达2000亿大气压),“耐心等待”氕原子偶然发生聚变。人类要想在“又冷又松散”的地球上复制太阳核心的条件已经够难了,更不可能“耐心等待”原子偶然发生聚变。
幸运的是,人类可以采取其他反应实现核聚变。氢的同位素除了最常见的氕,还有氘(1质子+1中子)和氚(1质子+2中子)。中子的存在,加大了核子之间强核力的作用;质子既有互相吸引的强核力,也有互相排斥的电磁力,而没有电荷的中子,与质子和自己之间只有同等强度的强核力,不存在排斥力。氘氚之间的聚变反应,“只需要”1500万度,“连太阳都能正常实现”,反应产出一个氦-4核子和一个中子。
NIF就是采用了氘氚聚变路线。为了至少短时间内实现核聚变,NIF使用全世界最强的激光,通过192个射线,在几纳秒内输送5万亿瓦功率的光能。激光的“靶子”,是一个名叫“环空器”的空腔,中间包含氘氚燃料。激光输入的能量,使燃料温度达1亿度,核聚变反应“点火”,从而产生能量,故名“国家点火装置”。这一技术路线称为“惯性约束聚变”。
NIF惯性约束聚变(图源:《金融时报》)
该反应要求环空器内壁和燃料小球形态完全对称,使得燃料小球得以均衡接受能量,连微米级别的缺陷都不允许,否则在不对称加热情况下,激光带来的能量可能从小球的一侧往外释放,无法使氘氚燃料内爆至核聚变发生。
据劳伦斯利弗莫尔国家实验室介绍,NIF通过测量产出的中子数量,倒推出发生的氘氚反应数量,从而得出能量产出额。
随着人类高端制造愈发精细化,制作愈发完美的环空器和燃料小球,“惯性约束聚变”下的核聚变效率得以不断提升。据《科学美国人》1974年的估算,“惯性约束聚变”理论上可实现输入140万焦耳,得出3000万焦耳,Q>20。
- 责任编辑: 李泽西 
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