美国宣布核聚变重大突破:首次产生净能量增益,实现“核聚变点火”!

2022-12-14 12:07:01 来源:EETOP
12月13日,美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)宣布,实现了“核聚变点火”(fusion ignition),创造了历史。

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报道指出,12 月 5 日,位于美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)首次在使用激光的聚变实验中短暂地实现了净能量增益--在激光向目标输送2.05 兆焦耳的能量后,该实验产生了3.15 兆焦耳的能量输出,短暂地实现了所谓的聚变点火。

这意味着它从聚变中产生的能量多于用于驱动它的激光能量这是数十年来的一项重大科学突破,将为国防的进步和清洁能源的未来铺平道路。

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LLNL国家点火设施的目标室,在2022年12月5日,192束激光束向一个微小的燃料球传递了超过200万焦耳的紫外线能量,以产生聚变点火。

“2022  12  5 日星期一是科学界历史性的一天,这要归功于利弗莫尔实验室和国家点火设施的不可思议的人。在取得这一突破的过程中,他们开启了NNSA计划的新篇章。“NNSA管理员Jill Hruby说。

“我们对聚变的理论理解已经超过一个世纪了,但从知道到做的过程可能是漫长而艰巨的。今天的里程碑表明我们可以用毅力做些什么。“总统的科学技术首席顾问兼白宫科技政策办公室主任阿拉蒂·普拉巴卡尔博士说。

聚变是两个轻原子核结合形成一个较重的原子核,释放大量能量的过程。在1960年代,LLNL的一组先驱科学家假设激光可用于在实验室环境中诱导聚变。在物理学家John Nuckolls的带领下,他后来于1988年至1994年担任LLNL主任,这个革命性的想法成为惯性约束聚变,开始了60多年的激光、光学、诊断、目标制造、计算机建模和模拟以及实验设计的研发。

为了追求这一概念,LLNL建造了一系列越来越强大的激光系统,从而创建了世界上最大,最有能量的激光系统NIF。NIF位于加利福尼亚州利弗莫尔的LLNL,其大小相当于一个体育场,使用强大的激光束来产生温度和压力,就像恒星和巨行星的核心以及爆炸的核武器内部一样。

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为了产生聚变点火,国家点火设施的激光能量在霍尔raum内转换为X射线,然后压缩燃料舱直到它内爆,产生高温,高压等离子体。

和其他国家近期突破相比如何?

在 NIF 取得这一成就之前,过去 18 个月里,其他由公共资金资助的聚变实验室也宣布了重大成果,只是它们的研究目标略有不同。

据新华社报道,2021 年 5 月 28 日凌晨,中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置 (EAST) 创造了新的世界纪录,成功实现可重复的 1.2 亿摄氏度 101 秒和 1.6 亿摄氏度 20 秒等离子体运行。这将此前创造的 1 亿摄氏度 20 秒原纪录延长了 5 倍,意味着向核聚变能源应用迈出重要一步。EAST 也被称为中国“人造太阳”,是中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制的磁约束核聚变实验装置。
去年 12 月,位于牛津的世界上最大、最强大的托卡马克核反应装置“欧洲联合环状反应炉”(JET) 的研究人员在持续 5 秒的聚变反应中产生了创纪录的 59 兆焦耳能量。这足以烧开大约 60 个水壶,比 JET 在 1997 年创造的 22 兆焦耳的能量输出纪录增加了一倍多。

专家指出,这两种核聚变反应都没有像 NIF 那样实现能量增益,但是它们在实验中也都没有优先考虑实现能量增益。

可以看出与现在国际上主打的托卡马克磁约束技术不同,美国的NIF 采用了一种被称为“惯性约束”的不同技术。它使用 192 束激光燃烧一个微型燃料胶囊 (fuel capsule)。激光将燃料加热到超过 300 万摄氏度,导致目标胶囊的表面燃着并产生爆炸,造成了 NIF 描述的“类似火箭”的内爆。这会压缩并进一步加热燃料,直到氘和氚中的氢原子融合,释放出氦和能量。

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