美國可控核聚變實驗，再次實現(xiàn)凈能量增益！
【資料圖】
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(biāo)提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產(chǎn)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(fù)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(shè)施再次實現(xiàn)了能量增益，現(xiàn)正在對結(jié)果進(jìn)行分析。
自去年12月首次成功點火以來，研究者一直在進(jìn)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(jié)果將在科學(xué)會議和同行評審出版物上發(fā)表。
未來能源路線或?qū)氐赘淖?p>簡單地說，「核聚變」就是兩個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核，并釋放出巨大能量的過程。兩個氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質(zhì)量比原來的氫原子略小。根據(jù)愛因斯坦標(biāo)志性的E=mc2質(zhì)能方程，這個質(zhì)量差會轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yīng)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(jì)50年代以來，無數(shù)的物理學(xué)家就一直希望從核聚變反應(yīng)中產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)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(jì)60年代，LLNL的一組先鋒科學(xué)家就作出假設(shè)：激光可以用來在實驗室環(huán)境中誘導(dǎo)核聚變。
隨后，在物理學(xué)家John Nuckolls的領(lǐng)導(dǎo)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(qiáng)大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強(qiáng)的NIF。
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(qiáng)大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。
激光在進(jìn)入環(huán)空器后，會擊中內(nèi)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(qū)使，最終會向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。
在內(nèi)爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——也就是「點火」，隨之便會放出大量能量。
進(jìn)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(xué)院的Jeremy Chittenden說，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)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(yīng)堆能夠?qū)崿F(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(jié)果——對之前產(chǎn)量的進(jìn)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(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)知道了如何把握實驗中的細(xì)節(jié)，以產(chǎn)生更多的能量。
但這距離NIF的激光完全燃燒反應(yīng)物產(chǎn)生的能量還差得遠(yuǎn)。
Chittenden表示在目前LLNL的實驗中，僅有百分之幾的燃料被反應(yīng)了。
但這次LLNL所取得的進(jìn)步足以證明，在突破0到1的桎梏后，可控核聚變的進(jìn)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(jīng)成功解決。
其中一個大問題，就是激光的低效。
雖然反應(yīng)堆的輸出高于激光的輸出，但激光本身效率非常低。為了產(chǎn)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(wǎng)的輸出還要多。（也就是此前屢屢被人調(diào)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(yīng)，讓總能量需求達(dá)到平衡，而不僅僅是最后激光階段的反應(yīng)。
另一個問題是，NIF反應(yīng)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(yīng)堆應(yīng)用于商業(yè)發(fā)電，就需要讓激光器每秒加熱目標(biāo)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(yīng)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(dá)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(yīng)堆的巨大成本物有所值。
另一種核聚變裝置：托卡馬克反應(yīng)堆目前的核聚變反應(yīng)堆，通常使用以下兩種方法來產(chǎn)生所需的熱量：
磁約束反應(yīng)堆（托卡馬克環(huán)形反應(yīng)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的氫同位素等離子體，它們將會碰撞，而產(chǎn)生聚變反應(yīng)。超級磁鐵產(chǎn)生的磁場隨后會將等離子體包含起來，以防止其破壞反應(yīng)堆。
而兩種反應(yīng)堆的最大區(qū)別，在于聚變反應(yīng)所需的時間。
磁反應(yīng)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(yīng)堆，可以讓核聚變在很短的時間內(nèi)發(fā)生，而且現(xiàn)在已經(jīng)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(qiáng)磁場實現(xiàn)對高溫等離子體的約束，因此超導(dǎo)磁體是核心部件之一。
獲得同樣的聚變功率，提高磁場強(qiáng)度，能夠有效縮小托卡馬克裝置的規(guī)模和造價。
