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美國(guó)宣布首次實(shí)現(xiàn)核聚變凈能量增益,距離商業(yè)化還有多遠(yuǎn)?
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李澤西歡迎一切建議和意見(jiàn) lizexi@guancha.cn
最后更新: 2022-12-14 13:40:00核聚變是怎么回事?
自核聚變技術(shù)1930年代誕生以來(lái),該行業(yè)的口號(hào)似乎一直是“三十年內(nèi),我們有望建成可產(chǎn)出能源的核聚變反應(yīng)堆”。早在1940年代,科學(xué)家們就開(kāi)始試驗(yàn)聚變反應(yīng)堆。雖然它們長(zhǎng)期以來(lái)一直能夠產(chǎn)生聚變反應(yīng),但直到現(xiàn)在,這些反應(yīng)總是需要輸入超過(guò)它們最終所產(chǎn)生的能量。
核聚變,是指將兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合,形成其他的核子;不過(guò),一般來(lái)說(shuō)“產(chǎn)生新原子”不是目的。該過(guò)程中,新生核子質(zhì)量不及原來(lái)核子質(zhì)量,質(zhì)量沒(méi)有守恒,多出的質(zhì)量被轉(zhuǎn)換為光子能量;產(chǎn)出的能量根據(jù)愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能守恒方程“E=Mc^2(能量=質(zhì)量x光速^2)”??茖W(xué)家希望利用這一過(guò)程產(chǎn)出的能量。
質(zhì)量最輕的核子分別是氫和氦,這兩個(gè)元素在核聚變中最常見(jiàn)。太陽(yáng)就是通過(guò)不斷地將氫原子變成氦原子而持續(xù)釋放熱量,在其生命接近尾聲時(shí)也將開(kāi)始“燃燒”氦原子,因此核聚變也有時(shí)被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”技術(shù)。
氘氚聚變反應(yīng)(圖源:IAEA)
不過(guò),宇宙中最常見(jiàn)的氫同位素(同一原子不同的同位素,區(qū)別在于其中子數(shù)量,不過(guò)由于同位素之間質(zhì)子數(shù)量一樣,除了重量差異,日?;瘜W(xué)反應(yīng)上沒(méi)有區(qū)別)是“氕”(即一個(gè)質(zhì)子,占?xì)淇偭?gt;99%),而氕需要100億度左右的溫度,才能突破兩個(gè)質(zhì)子(都是+1e電荷,正正相斥)之間的靜電能量壁壘,從而結(jié)合。太陽(yáng)中心“只有”1500萬(wàn)度,一度被認(rèn)為無(wú)法實(shí)現(xiàn)核聚變,不過(guò)科學(xué)家后來(lái)發(fā)現(xiàn),質(zhì)子可以偶爾經(jīng)由波函數(shù)的隧道,穿過(guò)這一障礙。即便如此,太陽(yáng)每年也只能聚變其0.000000000001%的燃料,太陽(yáng)的熱量主要還是源于其巨大的基數(shù)。
而人類(lèi)顯然無(wú)法創(chuàng)造太陽(yáng)這么大的反應(yīng)堆基數(shù)。更大的問(wèn)題是,太陽(yáng)內(nèi)的氕原子因太陽(yáng)巨大的引力,很難自己“逃跑”,因此太陽(yáng)可以維持自己當(dāng)前的溫度和壓力(高達(dá)2000億大氣壓),“耐心等待”氕原子偶然發(fā)生聚變。人類(lèi)要想在“又冷又松散”的地球上復(fù)制太陽(yáng)核心的條件已經(jīng)夠難了,更不可能“耐心等待”原子偶然發(fā)生聚變。
幸運(yùn)的是,人類(lèi)可以采取其他反應(yīng)實(shí)現(xiàn)核聚變。氫的同位素除了最常見(jiàn)的氕,還有氘(1質(zhì)子+1中子)和氚(1質(zhì)子+2中子)。中子的存在,加大了核子之間強(qiáng)核力的作用;質(zhì)子既有互相吸引的強(qiáng)核力,也有互相排斥的電磁力,而沒(méi)有電荷的中子,與質(zhì)子和自己之間只有同等強(qiáng)度的強(qiáng)核力,不存在排斥力。氘氚之間的聚變反應(yīng),“只需要”1500萬(wàn)度,“連太陽(yáng)都能正常實(shí)現(xiàn)”,反應(yīng)產(chǎn)出一個(gè)氦-4核子和一個(gè)中子。
NIF就是采用了氘氚聚變路線。為了至少短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變,NIF使用全世界最強(qiáng)的激光,通過(guò)192個(gè)射線,在幾納秒內(nèi)輸送5萬(wàn)億瓦功率的光能。激光的“靶子”,是一個(gè)名叫“環(huán)空器”的空腔,中間包含氘氚燃料。激光輸入的能量,使燃料溫度達(dá)1億度,核聚變反應(yīng)“點(diǎn)火”,從而產(chǎn)生能量,故名“國(guó)家點(diǎn)火裝置”。這一技術(shù)路線稱(chēng)為“慣性約束聚變”。
NIF慣性約束聚變(圖源:《金融時(shí)報(bào)》)
該反應(yīng)要求環(huán)空器內(nèi)壁和燃料小球形態(tài)完全對(duì)稱(chēng),使得燃料小球得以均衡接受能量,連微米級(jí)別的缺陷都不允許,否則在不對(duì)稱(chēng)加熱情況下,激光帶來(lái)的能量可能從小球的一側(cè)往外釋放,無(wú)法使氘氚燃料內(nèi)爆至核聚變發(fā)生。
據(jù)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室介紹,NIF通過(guò)測(cè)量產(chǎn)出的中子數(shù)量,倒推出發(fā)生的氘氚反應(yīng)數(shù)量,從而得出能量產(chǎn)出額。
隨著人類(lèi)高端制造愈發(fā)精細(xì)化,制作愈發(fā)完美的環(huán)空器和燃料小球,“慣性約束聚變”下的核聚變效率得以不斷提升。據(jù)《科學(xué)美國(guó)人》1974年的估算,“慣性約束聚變”理論上可實(shí)現(xiàn)輸入140萬(wàn)焦耳,得出3000萬(wàn)焦耳,Q>20。
- 責(zé)任編輯: 李澤西 
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