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科学家创下“燃烧”氢等离子体融合纪录

2022-03-08 11:27 中国航空报

1月26日,《Nature》最新封面论文报道,科学家在实验室中首次展示“燃烧的等离子体”,使核聚变梦想距离现实更近一步。这一里程碑标志着“向自我维持的核聚变能量迈出的关键一步”。

来自美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员,使用了耗资35亿美元建造和运行的全球最大的激光器——美国国家点火设施(National Ignition Facility Project,下称NIF),该装置能以脉冲形式提供高达1.9兆焦耳的能量,峰值功率高达500太瓦,该系统每次发射时消耗大约400兆焦的能量。

实验中,该团队首次将聚变燃料加热至超过它们注入的温度,实现了一种被称为燃烧等离子体的现象。据悉,该等离子体主要由两种氢同位素氘和氚之间的聚变反应产热,这为实验提供了热核燃料。

有专家表示:“氘-氚(D-T)核聚变可以说是最简单的核聚变之一,也是难度最低、释放能量最小的核聚变反应。根据质量亏损和质能方程式我们可以计算,同等质量的氘-氚(D-T)核聚变所能释放出来的能量,大约是汽油的2500万倍。和平利用核聚变,对于每个能源消耗大国来说,都是一项重大战略项目。”

在本次实验中,NIF的实验员通过精心微调的192道激光器,同步运作,在极短时间内将激光同步射向一个受激装置,装置内有一枚直径仅有2毫米的胶囊。而这一胶囊,内含着由两种氢的同位素——氘、氚组成的热核材料,胶囊外侧则涂抹着易于激发的涂料。

极短时间内的大量激光激发使外层涂料同内部第二层的氘氚迅速气化,它们的反向作用力对内部热核材料产生了难以想象的惯性压力,促使芯部氘氚融合成氦原子并放出大量能量——这正是惯性约束名称的由来。简单来说,即是这种协调的激光爆炸导致燃料加压并内爆,促使内部氘氚聚合物产生等离子体燃烧——也就是我们通常说的“微型核聚变”。

可以说,凭借这192束激光和比太阳中心高三倍以上的反应温度,科学家们在通往近乎无污染的聚变能源的漫长道路上,又完成了一个关键的里程碑。

尽管现在所产生的能量还比较有限,大约相当于9个9伏电池,但是如果考虑到仅有两毫米大小的反应装料和如此短的反应时间,这仍然可以说得上是里程碑式的进步。更重要的是,NIF的突破将使科学家们对远期目标更加充满信心,这将使他们更接近有一天设计出一个能量输出高于输入的聚变反应堆的目标。

相关论文题为《在惯性聚变中实现燃烧等离子体》(Burning plasma achieved in inertial fusion),论文作者多达一百多位。两位通讯作者亚历克斯·齐斯特拉(Alex Zylstra)和奥马尔·哈利肯尼(Omar Hurricane),均来自上述实验室。

研究人员在论文中写道,获得燃烧的等离子体是实现自我维持的核聚变能量的关键一步。在燃烧的等离子体中,聚变反应本身是等离子体中的主要热源,也是维持和传播燃烧所必需的,只有这样才能实现高能量增益。

经过几十年的核聚变研究,该团队在实验室中实现了燃烧等离子体状态。他们利用激光在辐射腔中产生X射线,通过X射线烧蚀壳层并产生压力间接驱动含燃料胶囊,这会导致内爆就像汽车内燃机一样,爆炸产生的压力通过机械工作压缩和加热燃料。

而等离子体燃烧状态,是通过两种不同的内爆概念,来增加反应舱的空间尺度的策略来维持的。这些实验表明,聚变自加热超过了注入内爆的机械功,满足了燃烧等离子体的几项关键指标。

此外,该团队还描述了一系列似乎已跨越静态自加热边界的实验现象,其中最值得提及的一项结果便是聚变加热所产生的能量超过了辐射和传导的能量损失。这些结果为在实验室中研究以α粒子为主的等离子体和燃烧等离子体物理提供了新思路。

总之,他们在实验室中产生了一种燃烧等离子体状态,在这种状态下,等离子体主要是自加热的,从而节约了大量燃料成本。如前所示,此次实验是通过NIF的惯性聚变内爆完成,由于之前的实验条件往往难以达到燃烧等离子体的阈值,那么本次实验的意义也就不言而喻。

相比此前工作,研究人员增加了反应舱的尺度,提高了从激光能量到反应舱的耦合效率,并使用新的策略控制了内爆对称性。目前,类似的实验已经进行了4次,多项指标均显示,内部环境超过了等离子体燃烧阈值。

发源于海水中的材料产生发源于恒星中的能量

而本次突破将帮助人们更好地理解核聚变,它产生的结果或许对其他类型的聚变实验,例如托卡马克实验也将有深远影响。

聚变研究的远期价值在于,这种聚变反应的消耗是如此之小,而产生的能量是如此之大。考虑到同样原理的巨型反应堆——太阳——已经照耀我们数亿年,并还将继续照耀我们数亿年。那么拥有一个我们自己可以控制的太阳并从中直接抽取能量,将是一件多么美妙的事情!这也是为何诸多科学家穷极毕生致力于此的原因。

然而,创造核聚变是一项巨大的工程,需要克服许多挑战。现在,至少有一个障碍已被NIF团队清除掉。

为了进行这项研究,研究人员采用了氢的同位素:氘,它可以在海水中找到;另外还有氚,它是在反应堆中产生的。利用这两样,即可制造炽热的等离子体。而在炽热的等离子体中,原子核融合时所释放的巨大能量,将成为该等离子体的主要加热源。

在论文中描述的四个不同的实验中,结果最好的一个实验,研究人员从一个毫米大小的球体中获得了170千焦耳的能量,球体则含有不到一毫克的同位素。

研究人员表示,尽管燃料舱的直径只有大约一毫米(0.04英寸),聚变反应只持续了很短的时间,但它的输出相当于反应持续时间内撞击地球的所有阳光能量的10%。

这些实验通过核聚变,产生了等离子体状态下物质的燃烧,这是一次真真正正的核聚变。换句话说,研究人员展示了一个未来核聚变反应堆的至关重要的过程,以及一种使燃料处于热等离子体状态的可持续方法。不过,即便最乐观的科学家也不得不承认,距离我们最终的目标,可能还有数年甚至数十年的工作要做。

“好像在郊外制作一个篝火”

核聚变是为像太阳一样的恒星提供动力的过程。它与核裂变不同,核裂变是地球上的发电厂使用的,通过将类似钚的重原子核分裂成更小的原子核来产生能量。

当原子核“聚变”,也就是说,结合成更大的原子核时,会释放出大量的能量。

最简单的核聚变是以氢作为燃料,研究人员希望核聚变有一天能利用地球海洋中丰富的氢发展成一种相对“清洁”的能源。

据介绍,核聚变可将水分子中的两种氢压在一起。当它们融合时,少量哪怕是毫克的燃料会产生大量的能量,而且它也非常“干净”,不会产生放射性废物它基本上是无限的清洁能源,可以部署在任何地方。

因为恒星非常大,它们的强引力意味着核聚变反应发生在非常高的压力下。但在地球上,这样的压力是几乎难以获得的,所以核聚变反应必须在非常高的温度下发生。

根据盖-吕萨克定律,在一个给定的体积中,随着气体温度的增加,压力也会增加,反之亦然。

与燃烧化石燃料或现有核电站的裂变过程不同,核聚变提供了无污染、无放射性废物亦无温室气体的丰富能源前景。

尽管在惯性约束聚变被用作电源之前,还需要实现更多科学“里程碑”,但实现“燃烧”等离子体这一步,将使科学家能更多了解这一过程。同时,该工作还提供了一种进入等离子体物理学的新途径,这将为整个核聚变界提供丰富的理解。

通讯作者亚历克斯说,就好像在郊外制作一个篝火时,你会希望让篝火生出来的火足够热,这样木头就可以一直保持燃烧。

这也是一个很好的关于核聚变的类比,为了让核聚变的原料保持不断地燃烧,就需要让燃料的温度非常地高,这样核聚变才可以一直进行下去——就如同平时的火焰一样。

但是核聚变需要大约1亿华氏度(5千万摄氏度)的高温,近几十年来该团队一直都是通过将燃料加热到非常高的温度,从而在实验中引发核聚变反应的,但仅仅这样还不足以通过核聚变来产生净能量。

但是这一次,核聚变反应首次实现主要通过燃料、而非通过加热而引发。也就是说,相比起加热,核聚变占主导地位。这样一种新的机制,被称之为燃烧等离子体机制。

要知道,实现核聚变是一项极其复杂的技术挑战,必须有十分谨慎的投资和创新,才能实现它的实用性和经济性。亚历克斯认为核聚变这一挑战的攻克需要数十年的时间,直到最终它将成为一种可行的能源来源。

责任编辑:王慧