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图源:pixabay

撰文 | 孙正凡

责编 | 李珊珊

 

在被疫情困扰了3年之久的地球上,这真是个难得的令人振奋的好消息。

美国时间12月13日上午的新闻发布会上,美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆宣布:其在可控核聚变实验中取得了重大突破。

12月5日,在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL),那台有3个足球场那么大,配备了192个激光器的国家点火装置(NIF)上,第一次实现了能量的正收益。

在之前的实验中,由于核聚变发生的条件实在过于苛刻,激光所用的能量往往高于聚变反应产生的能量,最多也只是打平,这让整个系统如同一个效益不佳的工厂,压根无法可持续运营。

而这一次,首次实现了聚变反应的净能量增益,即输出能量大于输入能量。根据劳森准则(Lawson criterion),当生产的能量高于损失时,系统将产生净能量, 如果足够多的能量被燃料捕获,系统将可以自我维持,这个系统便“点火”成功了。

在人类的能源史上,这可能是个里程碑式的事件,CNN的报道中,脱碳研究投资公司Carbon Direct的首席科学家胡利奥·弗莱德曼(Julio Freidmann)对这个“里程碑”解释道:“这非常重要,因为从能源的角度来看,如果你输出的能量不超过输入的能量,它就不能成为能源”。

而现在,这一切做到了。没有辐射、没有碳排放,如同科幻电影中的聚变发动机,只需要提供氢元素,就有能量供给。

科学家们复制了“仅在恒星和太阳上可以达到的某些条件”,格兰霍姆说:“这一里程碑使我们朝着为我们的社会提供动力的零碳丰富聚变能源的可能性迈出了重要的一步”。

不过,这只是在实验室进行的原理验证水平上的成功,从实际应用的角度看,离最终的“圣杯”还差得很远。

 

1、用半个多世纪,烧开了10壶水

这次发布被美国媒体称为是“一个酝酿了几十年的公告”。

半个多世纪前,上世纪50年代后期,在LLNL,研究者就已经完成了利用激光约束产生核聚变的概念的计算机模拟,那被称为激光约束核聚变,或者基于激光的惯性约束聚变(ICF)。

国家点火装置(NIF)则是ICF最大的实验场,这里是世界上最大的激光装置,有3个足球场那么大。近200台激光器产生的激光,集中之后用高能量轰击一个微小的氘氚等离子体颗粒,以启动核聚变反应。

这个装置的建设从1997年开始,经历了美国2008年的经济危机,到2009年完成。到2013年,NIF到达了它的第一个里程碑,通过聚变反应释放的能量超过了燃料吸收的能量,但距离核聚变产生的能量超过激光供应的能量的“圣杯”还差一步。

2020年,美国疫情期间,NIF被迫关停,而今,这几乎成为美国科学家们对特朗普抱怨的经典案例。

2021年8月,NIF第一次产生了一个可以在极短时间内可以自我维持的聚变反应,却无法复制那次实验。《新科学家》杂志的报道中评论:“科学家们实现了核聚变……但现在,他们无法复制它”……

而就在今年的8月,《物理学评论快报》发表了一篇关于NIF的论文《在聚变实验中实现劳森准则的点火》。那篇论文有40多家机构参与,仅署名作者就写满了3页半的A4纸,文中,研究者报告他们产生了一种等离子体,其中产生的热量不仅超过了外部加热而且超过了所有损失,几乎满足了所谓的聚变点火劳森准则,非常接近该领域的圣杯——通过聚变产生比驱动激光脉冲中包含的净能量更大的净能量。

3个月后,12月5日的实验中,科学家们拿到了足够的量化数据,他们实现了正收益。NIF的聚变反应堆从 2.05 兆焦耳的激光功率输出中产生了 3.15 兆焦耳的功率输出——增益约为 150%。

成功地令氢原子发生聚变,在 100 万亿分之一秒内释放 1.3 兆焦耳的能量,即 10 千万亿瓦的功率,然而,这只是一次在实验室进行的原理验证水平上的成功。每次工作时间只有20-30纳秒,发出的电量实际上只是“相当于烧开 10 壶水”。而要想真正获得商用价值,其产出-输入比还需要提高约100倍。

牛津大学物理学教授贾斯汀·沃克教授在英国科学媒体中心上发表评论称:“这确实是一个很大的进步,但我们还需要更多。首先,我们需要得到更多的投入,以解决产生激光等方面的损耗(尽管近年来制造高效激光器的技术也取得了飞跃);其次,劳伦斯利弗莫尔国家实验室原则上每天大约可以产生一次这种结果——聚变发电厂需要每秒产生十次。”

但即便如此,本次试验仍然是自 1930 年代以来科学探索的一个重要里程碑,为世界各地从事激光核聚变研究的同行提振信心,让人类朝向实现“人造太阳”,即可控核聚变的希望呈现了更大的可能性。

有了这个基础,科学家和专家们需要弄清楚就是如何从更大规模的核聚变中产生更多的能量,以及,如何最终降低核聚变的成本,使其能够在商业上使用。

当然,13日的发布会上,劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil表示,在商业化之前,核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服。她说:“我认为它正在走向前台,并且可能通过共同努力和投资,对基础技术进行几十年的研究可以使我们能够建造一座发电厂。”

 

2、让能量像太阳一样源源不断

万物生长靠太阳。太阳是我们地球上正在使用的几乎所有能量的来源,而且我们地球接收到的太阳能又仅仅是太阳产出能量的20亿分之一。太阳能量来源于中心的核聚变。

太阳表面温度只有6000度,可中心温度高达有1500万度,在高温高压之下,核聚变反应可以自然地发生。核聚变,又称融合反应,是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反应形式。两个较轻的核在融合过程中产生质量耗损而释放出巨大的能量,这一能量效率是核裂变反应(现在的核电站发电原理)的4倍。

在太阳中心,其巨大的引力所产生的极端压力为核聚变的发生创造了触发条件。在极高密度和温度下,原子中的电子和原子核被分开,形成等离子体。

在这些高温高压的等离子体中,众多原子核(以氢核为主)相互碰撞,能够克服彼此电荷之间排斥力,使原子核之间的吸引力将超过电排斥力,从而使它们能够实现聚变。通过4个氢核聚变为1个氦核的聚变反应,太阳已经为地球和宇宙提供了近50亿年的光和热,并且还有50亿年的稳定寿命。

人类第一次掌握氢核聚变反应,是通过氢弹实现的。氢弹就是利用原子弹(核裂变)爆炸产生的能量,瞬间引发核聚变反应。所以它是不可控的,只能用于战争和威慑,而不是和平建设。氢弹利用的就是氢同位素氘和氚聚变为氦的反应,爆炸中心的温度达到了上亿度(原子核越复杂,所需要的温度越高)。

通过氢弹这种特殊的实验,给科学家指明了要想平稳地实现利用核聚变来发电,即可控核聚变,至少需要上亿度的高温和相应的物质密度。

那么在地球上如何实现太阳上一般的高温高压等离子体呢,什么样的容器能装下温度高达上亿的物质,还能让它们在其中缓慢地发生核聚变呢?

另外还需要充分的约束,才能使等离子体和聚变反应保持足够长的时间,以获得净功率增益——整个可控核聚变过程实现其初始“点火”条件就需要消耗了大量的能量,因此必须达到“劳森准则”,即生产的能量高于投入时,聚变能才能成为可用的能源。

如同太阳中心的等离子体,足够的高温高压,才能使电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚,让原子核完全裸露,为核子的碰撞准备条件。而当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时,原子核就可以克服斥力聚合在一起。如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间,释放的能量足以维持所需的温度和压强,这种聚变反应就可以稳定地持续进行。

早在1955年,英国物理学家劳森(John D. Lawson)在一份保密论文中就提出了一个准则:等离子体的温度、密度和约束时间,三者的乘积称为“聚变三重积”,当它达到10^22时,聚变输出的功率,才等于为驱动反应而输入的功率,反应能自持进行。超过这一基本值,核聚变才“有利可图”。1957年,相关论文才得以解密。

至此,找到实现劳森准则的合理路线图,成了摆在物理学家和工程师面前的国际难题。

也正是因为有发展聚变能源的需求,有核国家才感到保密不利于研究的进展,只有开展国际学术交流,才能推进核聚变的深入研究。1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成互相公开研究的协议。

 

3、两大技术路线,谁会胜出?

在人造的物理环境中,很难实现超高压与超高温兼得,这意味着,人类必须制造出比太阳更极端的高温环境。

在过去的几十年里,可控热核聚变研究形成了两大分支。一个发展方向是NIF这类的利用超高强度激光在极短的时间内辐照来产生聚变。

而另一种,则是磁约束聚变,即用磁场约束聚变物质。这个路线的主攻方向是托卡马克装置(比如中国的东方超环EAST 和国际热核聚变实验堆ITER),另外还有仿星器,反向场箍缩及磁镜等装置。另一发展方向是惯性约束聚变,主攻方向是激光聚变,另外还在研究轻、重离子束聚变及其它装置。

托卡马克,是磁约束装置的几种类型之一,这个名字是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写,它的构想来自20世纪50年代前苏联科学家。

1954年,第一个磁约束装置建成,它的形状像一个平放的轮胎,在轮胎中,环形的磁场把几亿度高温的等离子体约束在其中,于是,这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼。

托卡马克装置的主要特点是采用很强的纵向磁场,跟等离子体电流本身产生的角向磁场合成了具有回转变换的螺距很大的螺旋型磁场。这种磁场位形基本上具备了等离子体的稳定三要素,即平行磁场、磁阱和磁剪切,因而它能有效地克服各种宏观不稳定性。

因此,托卡马克是用于生产可控热核核聚变能中的一个最被深入研究的候选类型。事实上,在NIF本次突破之前,托卡马克类型的磁约束研究常被认为是领先于其他途径,是最有可能率先成功的可控聚变方式。

六十年来,全世界共建造了上百个托卡马克装置,在改善等离子体加热和磁场约束上下足了功夫。

在1970年,苏联托卡马克装置T-3上实现了核聚变能量输出,能量增益因子Q值为十亿分之一。等离子体约束时间很短,大多以毫秒计算,由此各国开始建设大型托卡马克的热潮。美国TFTR,欧洲JET,日本JT-60和俄罗斯的T-15,就是表现特别突出的四个研究装置。

1997年9月22日,联合欧洲环JET又创造输出功率为12900千瓦的世界纪录,Q值达0.60,持续时间2秒。仅过了39天,输出功率又提高到1.61万千瓦,Q值达到0.65。

人们发现,托卡马克装置中约束等离子体的磁场,虽然不怕高温,却很不稳定。为了维持强大的约束磁场,需要非常强大的电流,时间长了,线圈就要发热,寿命非常有限。为了解决这个问题,人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中,使磁约束连续稳态运行成为现实。

托卡马克与NIF方式究竟哪个会胜出?

一位研究者告诉笔者:“NIF和托卡马克都是有类似的瓶颈,那就是如何实现能量正收益。托卡马克主要的问题是第一壁的材料,如何长时间约束高温等离子体,实现可自持的核反应。NIF这样的激光惯性约束聚变中,材料问题不是主要问题,毕竟反应的靶丸(capsule)非常小,反应不具有可持续性也是很大问题,然而,反应能量的输出和转移并没有托卡马克成熟。”

目前的中国,我们有自己的托卡马克装置——先进实验超导托卡马克实验装置(EAST),也是世界上最大的托卡马克装置ITER的重要参与方。ITER于2006年启动,是之前各种技术的集大成者,其目标是产生50万千瓦的聚变功率,离子温度1.5亿度,维持至少400秒,放电3000秒,能量增益Q>10。

 

参考文献:

1.Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment H. Abu-Shawareb et al. (Indirect Drive ICF Collaboration) Phys. Rev. Lett. 129, 075001 (2022)

2.Fusion Turns Up the Heat,Matthew Zepf,Helmholtz Institute Jena, Jena, Germany,August 8, 2022• Physics 15, 67

3.https://www.newscientist.com/article/2350965-nuclear-fusion-researchers-have-achieved-historic-energy-milestone/

4.https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/index.html

5.https://edition.cnn.com/2022/12/12/politics/nuclear-fusion-energy-us-scientists-climate/index.html

6.https://www.energy.gov/livestream

7.Nuclear Fusion PowerM.R. Gordinier, ... K.R. Schultz, in Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition), 2003

8.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0122274105004919

9.https://doi.org/10.1016/B0-12-227410-5/00491-9

 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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