編者按:2022年12月,美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火設(shè)施的科學(xué)家創(chuàng)造了歷史,成功地產(chǎn)生了核聚變反應(yīng),從而獲得了凈能量增益,這一突破被美國官員譽(yù)為“里程碑式的成就”和“清潔能源未來的里程碑”。
熱核慣性聚變系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)“凈能量收益”
(資料圖片僅供參考)
在2022年12月13日的發(fā)布會(huì)上,國家核安全管理局國防項(xiàng)目副局長(zhǎng)馬文亞當(dāng)斯在發(fā)布會(huì)上介紹:
在12月5日的實(shí)驗(yàn)中,大約2兆焦耳激光能量進(jìn)入反應(yīng)器,大約釋放3兆焦耳聚變能量,增加了1.5倍。
這次實(shí)驗(yàn)是在國家點(diǎn)火設(shè)施完成的,它通過所謂的“熱核慣性聚變”從核聚變中產(chǎn)生能量。
在實(shí)驗(yàn)過程中,192個(gè)高能激光器匯聚在國家點(diǎn)火設(shè)施內(nèi)部一個(gè)大約胡椒大小的目標(biāo)上,將氘和氚膠囊加熱到300萬攝氏度以上,并模擬恒星的條件。
如何理解“凈能量收益”?
在介紹所謂“凈能量收益”之前,我們先回顧一下具體的實(shí)驗(yàn)裝置,它的核心反應(yīng)器裝置包括:
1,接收激光束能量的Hohlraum黑腔;它決定了激光能量的利用效率。
2,位于Hohlraum黑腔中部的DT燃料膠囊;它大約1毫米大?。煌鈿な?0微米厚的超硬碳HDC層,內(nèi)部是55-65微米的DT燃料冰層和1000微米左右的DT蒸汽;總共大約有200微克的氘氚燃料。
激光通過Hohlraum黑腔聚焦在DT燃料膠囊引發(fā)氘氚內(nèi)爆。
而慣性約束中,由于192條激光輻照到黑腔內(nèi)壁產(chǎn)生的X射線只有10-15%被燃料膠囊吸收,所以這種“間接驅(qū)動(dòng)”方案的能量利用率非常低:
如果輸入激光能量Q1為1.9MJ,最后達(dá)到燃料中的能力只有10KJ。
而我們將此時(shí)DT燃料內(nèi)爆產(chǎn)生的能量計(jì)為Q4,那么Q4/Q1便是此次內(nèi)爆的能量增益。
黑腔內(nèi)壁產(chǎn)生的X射線只有10-15%被燃料膠囊吸收
2021年8月8日的一次內(nèi)爆中,實(shí)現(xiàn)了輸入Q1=1.9MJ,輸出聚變能量Q4=1.35MJ,能量增益Q4/Q1=0.7。
而2022年12月5日的一次內(nèi)爆中,實(shí)現(xiàn)了輸入Q1=2MJ,輸出聚變能量Q4=3MJ,能量增益Q4/Q1=1.5。
因此,僅僅一年的時(shí)間,勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的新內(nèi)爆設(shè)計(jì)的能量增益便增加了1倍,并且首次超過1,也就是實(shí)現(xiàn)了“凈能量收益”!
顯而易見,這是一次重大的科學(xué)突破!
什么時(shí)間有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)聚變商業(yè)化?
Q4/Q1大于1,不代表已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)聚變的商業(yè)化:
1,Q4是輸入的激光能量,但是驅(qū)動(dòng)激光需要額外的電能;
2,Q1是聚變輸出能量,但是將聚變輸出能量收集也有額外的損失。
因此,距離商用化還有非常復(fù)雜的、大量的工作:
1,需要弄清楚如何在更大范圍內(nèi)從核聚變中產(chǎn)生更多的能量。
2,科學(xué)家還需要收集聚變產(chǎn)生的能量,并將其作為電力傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。
3,需要弄清楚如何最終降低核聚變的成本,以便它可以用于商業(yè)用途。
因此,美國此次慣性核聚變實(shí)現(xiàn)能量?jī)羰找妫蔷圩冄芯康囊淮卫锍瘫降臉?biāo)志性工作,但是距離商業(yè)化可能還需要數(shù)十年的時(shí)間。
結(jié)語
由于美國的發(fā)布會(huì)沒有具體的技術(shù)資料,因此此次的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)具體情況還要等正式的論文發(fā)表。
眾所周知,美國近幾年加大核聚變研究投入,并且吸引了數(shù)十億美元的私人風(fēng)險(xiǎn)投資進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域,因此每一年都會(huì)產(chǎn)生一些重大的突破。相比而言,中國在核聚變的商業(yè)化投資上略顯落后,私人風(fēng)險(xiǎn)投資規(guī)模不到美國的十分之一。
Jim博士前文:美國為何在一家開發(fā)小型核聚變裝置的初創(chuàng)企業(yè)上投入百億資金? 麻省理工學(xué)院教授:我的3位博士生如何創(chuàng)造了小型可控核聚變
因此,雖然美國此次的科學(xué)突破距離核聚變商業(yè)化還有很遠(yuǎn)距離,但是它無疑會(huì)大幅刺激政府和私人資本的更大規(guī)模的投入,并大幅加速聚變技術(shù)的發(fā)展。
參考資料
美國聚變突破可能改變世界能源未來 (cnbc.com):https://www.cnbc.com/video/2022/12/13/us-fusion-energy-breakthrough-could-change-worlds-energy-future.html?&qsearchterm=fusion%20energy
核聚變突破:比用于產(chǎn)生反應(yīng)的功率更大 (cnbc.com):https://www.cnbc.com/2022/12/13/nuclear-fusion-passes-major-milestone-net-energy.html?&qsearchterm=fusion%20energy
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