跳至正文

研究人员确认科学点火向核聚变迈出了重要一步

(纳闻记者孙寒霏报导)

2021 年 8 月 8 日,科学家们使用了三个足球场大小的激光,并将其所有 192 束光束聚焦在一个 BB 颗粒大小的氢胶囊上。

当 192 束激光束聚焦在这样大小的区域时,它会产生超过 1 亿度的温度和超过地球大气 1000 亿倍的压力——类似于恒星的条件。

的确,这就是重点:为了创造点火和聚变的未来,科学家们基本上是在尝试制造迷你太阳,并且可能是一种取之不尽的绿色能源。

此外,2022 年 8 月 8 日,三篇经过同行评审的论文证实了上述研究人员在过去一年中所知道的。

照片 2012 年 8 月 31 日凌晨 0 点,一直在太阳大气中盘旋的太阳材料日冕以超过 900 英里/秒的速度喷发到太空中。 (NASA/GSFC/SDO)

实验室中的聚变点火是可能的,自 1950 年代以来,科学家们已经尝试过但未能证实这一点。

在实验中,上述实验室的研究人员在不到 40 亿分之一秒的时间内记录了超过 1.3 兆焦耳 (MJ) 的产量。

那是 10 万亿瓦的聚变功率,大约是给定时刻整个美国电网发电量的 700 倍。

更重要的是,LLNL 惯性约束聚变项目的首席科学家 Omar Hurricane 在谈到该实验时说:“创纪录的镜头是聚变研究的重大科学进步,它确立了在实验室中进行聚变点火在 NIF 是可能的。

“实现点火所需的条件一直是所有惯性约束聚变研究的长期目标,并开辟了一种新的实验机制,其中 α 粒子自热超过了聚变等离子体中的所有冷却机制。”

照片 包括 LLNL 研究人员在内的国际惯性约束聚变社区使用罗切斯特大学激光能量学实验室的 OMEGA Laser 进行实验和测试目标设计和诊断。 (国家点火装置)

换句话说,研究人员在短时间内达到了维持聚变反应所需的温度,克服了外部加热需求,以及所有损失机制(冷却聚变等离子体的物理过程)。

虽然该团队自 2021 年实验以来无法重现相同的聚变产量,但他们已经能够获得 430-700 千焦范围内的产量(1 kJ 等于 1,000 焦耳,1 MJ 相当于 1,000,000 J)。

此外,重复的尝试使研究人员能够比较和对比从实验中获得的数据,提供关于“什么是正确的以及需要哪些改变才能重复该实验并在未来超越其性能”的线索。

Hurricane 对 LLNL 说:​​“在实验室里有点火的‘存在证明’是非常令人兴奋的。”

“我们在一个自核试验结束以来没有研究人员进入过的制度下运作,随着我们不断取得进展,这是扩大我们知识的绝佳机会。”

实现点火

为了实现惯性约束聚变(涉及激光束聚焦在小颗粒燃料上的聚变),科学家必须首先满足所谓的劳森标准。

用外行的话来说,劳森标准类似于火灾产生足够的热量以从其初始燃料源传播到其周围区域时发生的情况。

在这种情况下,火灾产生的热量(能量)足以克服先前冷的燃料并引起连锁反应。

聚变点火的目标是相似的,尽管规模更大、更复杂。

根据 APS 物理学,聚变反应只能在温度超过 1 亿度的热电离气体(等离子体)中发生。

达到该温度并使其保持足够长的时间以产生连锁反应是一项挑战。 从上面的火灾例子来看,如果火的能量在加热周围区域之前就消散了,火就不会蔓延,即引起连锁反应。

照片 这位艺术家的渲染图显示了一个空腔胶囊内的 NIF 目标弹丸,激光束从两端的开口进入。 光束将目标压缩并加热到发生核聚变的必要条件。 (国家点火装置)

在聚变过程中,两个氢原子核以足够大的力发生碰撞,从而产生一个更重的氦原子核——是的,元素发生了变化。 这会产生大量的能量(热量)。

当上述过程成为一个温度迅速升高的自持热力学反馈回路时,就会发生点火——当来自聚变的能量/热量足以克服冷却因素并在没有外力(如激光束)的情况下继续迫使氢核聚集在一起时。

重要的是,融合氢原子释放的能量是燃烧石油、天然气或煤炭等化学反应的近 400 万倍。

此外,点火是一种不需要化石燃料的自持反应,副产品是氦(一种惰性、无毒的气体,无害)。

因此,根据国际核聚变研究和工程大型项目ITER,聚变可能是一种取之不尽的绿色能源。

激光,去以前没有人去过的地方。  (劳伦斯利弗莫尔国家实验室,CC BY-SA 3.0,来自维基共享资源)