据报道,美国科学家通过“美国国家点火装置”,在核聚变领域取得了突破性进展。首次在聚变实验中实现了净能量增益,也就是产生的能量比注入的能量还要多。
上图:美国国家点火装置
令人惊讶的是,美国国家点火装置有三个足球场那么大,但令人兴奋的实验却发生在一根头发丝那么大的区域。
这是否意味着美国核聚变技术,即将比中国更早实现商用?然而想回答这个问题,咱们要知道到什么是美国国家点火装置!
上图:托卡马克装置
与采用托卡马克装置的中国太阳不同,美国国家点火装置(NIF) ,是一种基于激光的惯性约束聚变(ICF) 研究装置。
为了方便理解,可以将托卡马克装置想象成通对聚变燃料进行磁约束,来模拟太阳内部高温高压的环境,进而实现获得稳定的核聚变。而惯性约束聚变装置就是通过引爆微型核弹,来利用瞬间的爆炸能量。
上图:惯性约束
因此托卡马克装置的目标是,只需一次“点火”放出的能量,就足以支持核聚变持续进行下去,不再需要外界的能量输入。
惯性约束聚变装置则是,要求充分利用“微型核爆”的能量,实现净能量增益,并能够连续多次制造“微型核爆”。
那么到这咱们就能理解,所谓美国国家点火装置基于激光的惯性约束聚变(ICF) ,就是利用激光引爆微型核弹的装置。
上图:惯性约束的空仓,又称靶仓
而通常在美国国家点火装置的实验中,有多达192束激光束,被发射到一个称为空腔的几厘米大小的空心圆柱体中。而圆柱体内可存放一个钻石胶囊,胶囊内通常含有约10毫克的氘氚混合物。
因此当激光束进入空腔,并撞击空腔内部产生 X 射线,会加热并压缩胶囊内部分的氘氚混合物压,进而满足聚变条件。
上图:已安放在美国国家点火装置内部的钻石胶囊
并且其向内爆炸的速度超过每秒400公里,所以允许聚变反应在燃料分解之前发生。考虑到基于聚变反应过程中的燃料,被其自身的惯性所困,所以咱们称其为惯性约束聚变。
上图:燃料胶囊,又称燃料球
而美国最近的惯性约束聚变反应,产生了大约2.5兆焦耳的能量,大约是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%。
这意味着在核聚变反应中,输出能量与输入能量的比例超过了1,达到了1.2,首次实现了净能量增益。真正让屏幕前的你我,感受到了来自美国科技进步的压力!
但还是那句话,想要实现商用,惯性约束聚变装置还要有足够的连续工作时间。毕竟2兆焦耳也就是一小块木炭,燃烧所释放的能量。
所以此次实验虽然获得了净能量增益,但它的规模还太小。在产生的能量足以实现商用之前,每天需要成千上万次这样的激光发射。
然而不幸的是,美国国家点火装置的激光器使用巨大的玻璃板,在两次发射之间需要数小时才能冷却。换句话说,他们根本无法实现商用。
此外,钻石胶囊的制造成本也不低,并且聚变过程中产生的胶囊碎片还会损坏设备。例如在之前的实验中,为减少碎片对设备造成的损害,还为192条激光束中的128条,安装了80个额外的防护罩。
上图:美国国家点火装置的光学组件
而且“输出的能量大于输入的激光能量”,这一不等式掩盖了一个基本问题,即美国国家点火装置激光器的效率不超过1%。
这意味着为产生2.1兆焦耳的光能,它一定会从电网中吸收超过200兆焦耳的能量。因此最终产生2.5兆焦耳的聚变能,听起来就像个笑话。
并且事实上,美国国家点火装置的实验从来就不是一个聚变能项目,而是一个为武器研究而设计的项目,与利用核能制造清洁能源完全就是另外一回事。
而中国的“人造太阳”,以及包括中国在内,几乎集全球之力的,国际热核聚变实验堆计划(ITER),才是真正为发电而生。
当然,虽然当前大多数核聚变装置的输出能量,与输入能量的比例都在1附近徘徊,但在建中的国际热核聚变实验堆计划的能量增益比例,却预计将能超过10。
此外,中国于2017年12月5日在合肥正式启动的中国聚变工程实验堆项目,还将弥补国际热核聚变实验堆装置时间短、燃料氚不能自持不能发电等功能。
预计2050年建成,能量增益比例将大于25,是国际热核聚变实验堆的2.5倍。聚变功率高达200万千瓦,是国际热核聚变实验堆的4倍。
不过这也并不是说美国国家点火装置的成就毫无意义。毕竟从 2.1 兆焦耳的激光束中,产生 2.5 兆焦耳的聚变能,也是一个真正的胜利。如果继续发展下去,不排除有商用的可能,只是没必要把它当成科技革命。
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