为什么核聚变点火被誉为一个核聚变中的重大突破------一位核物理学家解释

By Carolyn Kuranz

2022/12/18

Science & Astronomy

美国科学家已经宣布了在一个长期难以琢磨的从核聚变创造能量目标中他们已经叫重大突破的。

国家点火设施的目标室一直是核聚变物理学中的一些突破的场所。 (Image credit: U.S. Department of Energy/Lawrence Livermore National Laboratory)

美国能源部在12月13日说，在几十年的尝试后科学家们第一次已经设法出自这个过程来获得比他们不得不投入的更多的能量。

但这个发展到底有多重要呢？长期寻求的核聚变提供丰富的清洁能量的梦想还有多远呢？密歇根大学的核工程副教授卡洛琳已经工作在刚刚打破核聚变记录的设施上，帮助解释这个新结果。

核聚变是为太阳提供能量的相同过程。 (Image credit: NASA/Wikimedia Commons)

在核聚变室里发生了什么？

核聚变是一种结合两个原子来创造一个或多个总质量略少的新原子的核反应。质量中的差异以能量被释放，如爱因斯坦著名的方程E = mc^2描述的，其中能量等于质量乘以光速的平方。因为光速是巨大的，仅仅将少量的质量转化为能量------就像在核聚变中发生的那样------产生一个类似的巨大的能量。

加州美国政府国家点火设施的研究人员已经首次证明了所谓的“聚变点火“。点火是当一个聚变反应产生比从一个外部源输进反应还要多的能量并变得自我维持时。

燃料被把持在一个微小的罐子中来保持反应尽可能不受污染。 (Image credit: U.S. Department of Energy/Lawrence Livermore National Laboratory)

国家点火设施使用的技术涉及对一个0.04英寸（1毫米）氘和氚制成的燃料颗粒发射192束激光------氘和氚是有额外中子的氢元素-----放置在一个金罐中。当激光击中这个罐时，它们产生加热并压缩燃料颗粒到铅的密度的20倍并到超过500万华氏度（300万摄氏度）------大约比太阳的表面更热100倍的x射线。如果你能维持这些条件足够长的时间，燃料将聚变并释放能量。

在实验期间燃料和罐被在一秒的几十亿分之一内蒸发。研究人员然后希望他们的设备存活这个热并准确地测量被核聚变反应释放的能量。

如此他们完成了什么呢？

为了评估一个核聚变实验的成功，物理学家们观察从核聚变过程释放的能量和激光器内的能量之间的比率。这个比率叫增益。

任何超过1的增益都意味着聚变过程释放了比交付给了激光的更多的能量。

12月5日，国家点火装置用200万焦耳的激光能量射击了一个燃料颗粒------大约是让一个电吹风机运行15分钟所需的能量------所有包含在一秒的几十亿分之一内。这触发了一个释放了300万焦耳的核聚变反应，这是一个大约1.5的增益，打破该设施在2021年8月取得的0.7的记录。

这个结果到底是多大一个交易呢？

核聚变能量一直是近半个世纪以来能量生产的“圣杯“。我相信，虽然1.5的增益是一个真正历史性的科学突破，但在核聚变是一种可行的能量之前还有很长的路要走。

虽然200万焦耳的激光能量低于聚变的300万焦耳产量，但该设施用了近3亿焦耳来生产本实验中使用的激光。这一结果已经表明聚变点火是可能的，但当考虑整个端到端系统时它将要用很多的工作来提高效率到聚变能提供一个净正能量回报的点上，而不单单是一个激光和燃料之间的相互作用。

用于创造强大的激光的机械，就像这些预放大器一样，目前需要比激光本身产生的更多的能量。 (Image credit: Lawrence Livermore National Laboratory, CC BY-SA)

什么需要被改进？

几十年来，有许多科学家们一直在稳步改进来产生这一结果的核聚变难题，进一步的工作能使这一过程更有效率。

首先，激光被在1960年发明。当美国政府在2009年完成国家点火设施的建设时，它是世界上最强大的激光设施，能够为一个目标提供100万焦耳的能量。它今天产生的200万焦耳的能量比地球上第二强大的激光更多50倍。更强大的激光和更少的能量密集方式来生产这些强大的激光可以大大提高系统的整体效率。

核聚变条件对维持是非常挑战性的，胶囊或燃料中的任何小缺陷能增加能量需求并降低效率。科学家们已经做出了很多进展更有效从激光转移能量到罐和来自罐的x射线辐射到燃料胶囊，但目前只有10%到30%的总激光能量被转移到罐和燃料。

最后，虽然燃料的一部分氘在海水中是天然丰富的，但氚是远罕见的。聚变本身实际上产生氚，因此研究人员希望开发直接收获这种氚的方法。与此同时，还有来生产所需的燃料的其他方法。

在核聚变将为你的家发电之前将需要克服这些和其他科学、技术和工程障碍。还需要做一些带一个核聚变发电厂成本从35亿美元的国家点火设施大大降低的工作。这些步骤将需要来自联邦政府和私营企业的大量投资。

值得注意的是，现在有一场围绕核聚变的全球竞赛，世界各地的许多其他实验室追求不同的技术。但随着来自国家点火设施的新结果，世界第一次已经看到了核聚变梦想是可以取得的证据。

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