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核聚变净产能0.3度,史上首次扭亏为盈!

2022-12-15

12月13日,美国那边传来了一个核聚变领域的大新闻——劳伦斯·利弗莫尔实验室的“国家点火装置”取得了前所未有的重大突破

在实验中,这个装置输入了总能量为2.05兆焦的激光,引发了氘氚聚变反应,最终输出了3.15兆焦的能量。

别看输出能量没多少,连1度电都不到(1度电 = 3.6兆焦),但输出能量与输入能量的比值Q达到了1.54,意味着输出能量比输入能量大了50%还多。

而在此之前的几十年里,人类进行过无数次核聚变试验,能量方面全都入不敷出。(好吧,氢弹除外……)

这是史上第一次,人类在可控核聚变试验中做到了Q>1,实现了能量正增益

美国“国家点火装置”的前置放大器支撑结构 | Damien Jemison/LLNL

核聚变,未来能源终极梦想

核聚变,顾名思义,就是两个或多个较轻的原子核结合,生成1个较重的原子核。


在太阳内部,就时刻进行着四个氢原子核(质子)聚变成一个氦原子核的反应,将原子核中的一部分质量转化为能量,最终以光和热的形式释放出来,普照万物。


核聚变燃料可以从海水中提取,号称“取之不尽,用之不竭”。如果能把核聚变反应搬到地球上来为我所用,人类将一举解决未来的能源问题,并有希望减少对化石燃料的依赖,扭转全球气候变暖的趋势,前景十分美好!
早在70年前,人类就在地球上成功实现了核聚变——1952年,史上首颗氢弹试爆成功,释放出的能量超过1000万吨TNT同时爆炸。那些能量无法被人类利用,因为那是不可控的核爆炸——总不能随随便便就炸颗氢弹拿来发电用吧……

BlOtsV00qyYnP3wcRRfWmWSdTOoVr lXIu3pTLKc8AmAAgAAaAEAAFBO1952年,首颗氢弹试爆形成的蘑菇云 | 美国能源部
想要实现人类未来能源的终极梦想,单把核聚变搬到地球上还不够,聚变能量必须以较温和的方式源源不断地释放出来,实现所谓的可控核聚变才行
为此,人类努力了几十年,开发出了多种可控核聚变试验装置,通过不同的途径达成并维持类似太阳核心处的极端环境——那是核聚变反应得以发生的先决条件。

毫无疑问,这是需要消耗能量的。理论上说,只要由此引发的核聚变反应能够产生更多的能量,完全补偿启动核聚变所消耗的能量,让可控核聚变自我维持下去,那这件事就算成了。

现在,你大概可以理解,“国家点火装置”做到Q>1,有多么非同小可了。美国能源部对此也极为看重,甚至在正式发布成果之前还专门开了媒体吹风会。

那么,这个“国家点火装置”是何方神圣?实现了能量正增益之后,核聚变发电是不是就近在咫尺了呢?

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惯性约束激光核聚变原理 | 美国能源部

NIF,美国国家点火装置

美国“国家点火装置”,全名叫National Ignition Facility,缩写为NIF,1997年开建,2009年建成,是一种惯性约束激光核聚变试验装置。


它所实现的核聚变反应,称为氘氚聚变


地球上很难实现太阳核心处那种高温高压高密度的环境,太阳内部四个质子聚变成一个氦核的过程也很复杂,条件比较苛刻。相比之下,氘氚聚变的要求要稍低一些。

氘氚都是氢的同位素:氘原子核是一个质子加一个中子,氚原子核是一个质子加两个中子。它俩聚变会生成一个氦原子核,并释放出一个中子。

氢的3种同位素:氕、氘、氚,其中氕最为常见

要想实现氘氚核聚变同样不易。两个原子核都带正电,距离越近,电荷产生的排斥力就越大。要让它们发生聚变,距离需要接近到10-15,也就是一根头发丝儿的500亿分之一,温度也必须要达到上亿度才行。

有多种方法可以产生这样的极端环境实现可控核聚变,比如磁约束(即托克马克)、仿星器等。其中最为简单粗暴的,当属NIF所采用的惯性约束。它的原理很简单,就是把很多路强激光束聚焦在一个特别小的点上,从而引发核聚变

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NIF装置的靶室 | LLNL

NIF装置使用了192路紫外激光,一次能打出2.05兆焦的能量,大概相当于0.57度电。看起来并不大,但这是在3纳秒(1纳秒 = 1x10-9秒)之内发出的脉冲,瞬间的功率相当于美国所有电站功率的大约1000倍。


在这些激光束所聚焦的地方,放置了一个黄金制成的“黑腔”。黑腔的中心就是靶丸,直径只有2~3mm。

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NIF装置的靶丸 | Damien Jemison/LLNL

192路激光分成上下两束射进黑腔,产生强大的X射线,将靶丸的外壳瞬间变成等离子体。


向四周飞散的离子产生反作用力,以400千米/秒的速度极度压缩靶丸装有氘氚燃料的内层,达到上亿度的高温和数千亿个大气压。


然后,“呯”的一声,在靶丸中心区域引发核聚变


所谓“惯性约束”,是指靶丸外壳和燃料向内压缩的过程,会在惯性作用下将高密度状态维持一段时间。

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激光射入黑腔,X射线照射靶丸 | Jacob Long/LLNL

这个过程说起来容易,做起来却极难。

要产生如此高能量的激光束,需要极为庞大和复杂的装置;192路激光要恰好会聚在黑腔的两端;产生的X射线要均匀地压缩靶丸;中心区域聚变开始后,要在靶丸飞散之前,让尽可能多的燃料发生聚变;等等等等。

这里的每一项,都是高科技,都是拿钱烧出来的。

而美国这次实现的能量正增益,指的就是靶丸核聚变产生的能量已经大于产生激光所消耗的能量,满足了核聚变反应能够“自持”的先决条件。


这确实算得上是一项里程碑式的成就


那是不是说明,核聚变发电就快要实现了呢?

还差得远!

核聚变发电?不,是你天真了……

简单来说,NIF就不是为了核聚变发电而设计的


想要真正实现核聚变自持,需要连续不断地更换新的黑腔和靶丸,实现每秒10次的频率,并把聚变产生的能量转化成电能,再用它来发出激光。


而NIF的惯性约束聚变却是一锤子买卖,每进行一次试验后,需要再过4-5个小时,才能开始下一次。更何况,它折腾完一次核聚变,产生的能量都不到1度电,和梦想中的核聚变发电差距实在太大了。

另外,如何把核聚变产生的能量收集起来也是个大难题。

氘氚聚变会产生一个14.1兆电子伏的快中子,聚变能量有80%都在这个快中子的身上。要想捕获这部分能量很不容易,因为快中子可以很轻易地穿透金属材料而逃走,需要在外面设置中子屏蔽和冷却装置,并用产生的热量来发电。

这些能力都不是NIF所能具备的,因此把能量转化成电能根本无从谈起。

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技术人员进入NIF靶室内部进行检查和维护 | Philip Saltonstall/LLNL

而且,就算假设NIF能够连轴运转,就算真能实现能量百分百转化为电能,它还存在着一个“致命缺陷”,那就是——

要产生2.05兆焦的激光,所耗费的能量可远远不止2.05兆焦。各种设备都需要要冷却,再加上激光的损耗,消耗的电能比这0.57度电可要大得多。

因此即使NIF宣称实现了Q=1.54,那也只是一个理想值,它仍然实现不了自持核聚变

要知道,NIF装置可是个烧钱无底洞,12年的建设共耗资35亿美元,快赶上一艘核动力航母了。如此一来,你大概会产生这样一个疑问:为了这么一个不能发电的核聚变装置,美国人为什么投钱投得这么大方呢?

奥秘就在于NIF模拟核试验的能力。

NIF装置的黑腔和靶丸结构其实挺像一枚微型氢弹的。在大多数国家已经签署《全面禁止核试验》条约的大背景下,使用所谓的“科学装置”来变相地进行核试验,才是NIF更重要的使命

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NIF的激光传输系统 | Jacqueline McBride/LLNL

这次NIF实现能量正增益,在武器层面上会带来很大好处,有助于设计更大当量或者更加小型化的氢弹。

而人们心心念念的核聚变发电,想要真正实现,恐怕还有待时日。

再等 5040 30年肯定要的!

NIF装置实现Q>1,是一项货真价实的重大突破,但惯性约束聚变装置的固有特点,使它在持续发电方面有着天生的劣势。

相比之下,另一种磁约束聚变装置就比较有优势了。例如,正在建设中的“国际热核试验堆”ITER,目标就是Q>10。


ITER是一个磁约束聚变装置,即“托克马克”。它的原理是把极高温度的等离子体用磁场约束在一个环形腔室内,并维持足够长的时间。


这样一来,氘氚燃料就能在腔内持续聚变和输出能量,而腔室外面设置的含锂包层则可以吸收中子能量并转化成热能。


ITER的设计聚变功率是50万千瓦,相当于一座小型火电厂,但ITER仍然不能发电,只会用于测试聚变能量的转化。

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ITER结构原理示意图 | ITER

但作为一个多国联合开展的项目(我国也有参与),ITER最大的问题是“拖延症”。由于种种原因,ITER的进展极其缓慢,建成时间一拖再拖。目前的说法是2025年建成,不过说实话,我看悬。


而在ITER成功之后,要真正实现发电还要建设聚变示范堆,实现商用估计还要等更久。所以人们说“核聚变发电永远还需要再等50年”,并不是一点道理也没有。


现在,惯性约束的NIF装置实现了Q>1,相信对ITER的建设也是一个刺激。

可控核聚变一直存在惯性约束和磁约束这两大路线之争,美国一直偏爱惯性约束,这可能与它对模拟核试验的兴趣有关,欧洲和日本就更倾向于磁约束的托克马克装置。

或许,NIF此次取得突破,能够倒逼ITER加快进度,把“50年”缩短成40年甚至30年,也不一定。(但肯定不可能再短了……)

对于想要和平利用核聚变的人类来说,这也能算是大功一件了吧。

作者:人马座A

编辑:Steed

封面图来源:John Jett and Jake Long/LLNL

 一个AI 

“取之不尽,用之不竭” ?

“永远还需要再等50年”?

啧啧啧,你们人类还真是画得一手好饼……

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