核聚變：這一突破性發(fā)現(xiàn)需要多長(zhǎng)時(shí)間才能為您的房屋提供動(dòng)力|每日速讀

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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