美国核聚变点火成功,但离并网发电也许还要几十年

美国核科学家已经实现了长期追求的聚变点火目标,但不要指望这种清洁技术能够为电网供电。

在北加州的一个实验室里,一群科学家短暂地重现了为太阳提供动力的物理学。他们的深夜实验涉及向胶囊发射192束激光,胶囊中包含一个充满氢原子的胡椒大小的颗粒。其中一些通常排斥的原子被粘在一起并融合在一起,这是一个产生能量的过程。按照地球上聚变反应的标准,这是大量的能量。多年来,科学家们一直在做这种类型的实验,只是为了看到它不足以烹饪燃料。这一次,他们终于超越了它。

这一壮举被称为点火,对于那些研究聚变的人来说是一个巨大的胜利。科学家们只需要仰望恒星就知道这样的能量来源是可能的——将两个氢原子组合成一个氦原子需要质量损失,因此,根据E = mc2,能量的释放。但自1970年代以来,这是一条缓慢的道路,当时科学家首次定义了点火的目标,有时也被称为“盈亏平衡”。去年,劳伦斯利弗莫尔实验室国家点火设施的研究人员接近,产生了他们发射到实验中的激光能量的约70%。他们继续做实验。然后,在 12 月 5 日凌晨 1 点刚过,他们终于拍出了完美的镜头。两兆焦耳;3兆焦耳。能量增加 50%。“这表明这是可以做到的,”美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer Granholm)在今天上午早些时候的新闻发布会上说。

对于像斯坦福大学物理学家马克·卡普利(Mark Cappelli)这样的聚变科学家来说,这是一个令人兴奋的结果。但他警告说,那些寄希望于核聚变在不久的将来作为一种丰富、无碳和无废物的能源的人可能会等待。他说,区别在于科学家如何定义盈亏平衡。今天,NIF的研究人员表示,他们获得的能量与他们在实验中发射的激光一样多 – 这是一项巨大的,期待已久的成就。但问题是,这些激光器中的能量只占发射激光器所涉及的功率的一小部分。按照这个标准,NIF得到的比它投入的要少得多。 “这种类型的盈亏平衡是方式,方式,方式,方式,方式,”卡普利说。“那是几十年后的事情了。甚至可能过了半个世纪。

问题是低效的激光器。使用NIF的方法产生聚变能涉及将数十束光束射入称为hohlraum的金圆柱体中,将其加热到300多万摄氏度。激光不直接瞄准燃料。相反,他们的目标是产生“X射线汤”,密歇根大学的聚变研究员Carolyn Kuranz说。它们轰击由氢同位素氘和氚组成的微小燃料颗粒,并将其粉碎。

这必须以完美的对称精度完成——“稳定的内爆”。否则,颗粒会起皱,燃料不会足够加热。为了实现上周的结果,NIF研究人员使用改进的计算机模型来增强容纳燃料的胶囊的设计,并校准激光束以产生恰到好处的X射线色散。

目前,这些激光器每个脉冲发射约2兆焦耳的能量。对于聚变科学家来说,这是一个巨大而令人兴奋的能量。它只相当于运行吹风机大约 15 分钟所消耗的能量,但在百万分之一秒内一次付。在NIF产生这些光束涉及一个几乎足球场大小的空间,充满了闪烁的灯,可以激发激光棒并传播光束。仅此一项就需要300兆焦耳的能量,其中大部分已经损失。再加上冷却系统和计算机的层层,你很快就会得到比聚变产生的能量大几个数量级的能量输入。因此,根据卡普利的说法,实际聚变的第一步是使用更高效的激光器。

他补充说,能源等式的另一边继续令人头疼。传统内燃机将其产生的能量转化为电能的效率约为40%。对于核聚变,这可能更像是10%到20%,他建议。研究人员甚至还没有考虑过这种类型的转换。根据定义,聚变实验是破坏练习。燃料颗粒设计为一次性粉碎;周围的仪器被聚变能的释放破坏;镜子被强大的激光损坏。因此,为了产生持续的能量,科学家们需要弄清楚如何反复发射强大的激光,并在它们面前获得许多颗粒。这可能涉及每分钟多个颗粒和激光发射,Kuranz说。相比之下,NIF目前每天发射三次。

不过,今天宣布的进展是一件大事,她补充说。这种被称为“惯性约束”的聚变实验的一个被忽视的方面是,激光本身是一种相对较新的技术——比核裂变等技术更新。“我们今天拥有的多兆焦耳激光器是一项了不起的工程壮举,”她说,与 1960 年代首次开发的激光器相比。NIF研究人员利用这种能量所做的工作比许多人想象的要多。有些人认为,要接近点火,可能需要10兆焦耳或更多的激光能量。此外,她补充说,自1999年NIF破土动工以来的几十年里,激光器一直在不断改进,这意味着有朝一日可以取代它的设施具有诱人的可能性。

她说,这很令人兴奋,因为在过去,惯性约束比另一种称为“磁约束”的聚变技术受到的关注较少。这涉及一种称为托卡马克的甜甜圈形装置,其中氢气被加热成等离子体,然后被磁场捕获。商业聚变公司通常采取磁铁路线,部分原因是激光的挑战。但最近,惯性设施的投资越来越多,今天的成功可能意味着更多的投资,Kuranz说。

那么,核聚变会有助于解决气候变化问题吗?拜登政府寄予厚望,通过《降低通胀法案》将大量投资用于聚变研究。今年4月,它宣布了建设商业核聚变的10年愿景。实际的时间线仍然模糊不清,在“几十年”(复数)的尺度上。但“有了真正的精力和真正的专注,这个时间表可以更接近,”劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金伯利巴迪尔在今天的新闻发布会上说。

尽管如此,鉴于巨大的成本,一些人认为这会分散实现美国净零能源生产目标的注意力。毕竟,如果目标是到2035年做到这一点,那么“几十年”不会削减它。“尽管今天宣布了这一消息,但核聚变既不是商业的,也不是接近商业的,所以它仍然是雾件,”斯坦福大学能源研究员马克雅各布森说,他主张对太阳能、风能和水力发电等现有解决方案进行更多投资。事实上,你很难找到一个等离子体物理学家,他认为聚变将在未来十年内出现。

但近一个世纪以来,自从天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)推测氢和氦为太阳提供动力的关系以来,人们一直被建造一座像恒星一样的发电厂的“假设”可能性所吸引。当然,它有一种伊卡利亚人的品质,几十年来很少得到满足的高期望所带来的谦卑。但聚变研究人员继续朝着一个难以捉摸的目标前进,即使今天活着的任何一代人都可能无法实现这个目标。“我认为我们应该乐观地看待这个问题,”加州大学圣地亚哥分校研究托卡马克设计的研究科学家德米特里奥尔洛夫说。“今天就像看着一个婴儿学习走路。最终,它将跑一场马拉松。

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