美国核聚变技术迎来里程碑时刻

Daphane · 发表于 2021-9-3 23:05:40

来自: 科技学术派

劳伦斯利弗莫尔美国实验室这段时间宣布，它在实验室中进行了一次聚变反应，该反应产生的能量多于燃料吸收的能量以启动它。

科学家们说，在实验室耗资 35 亿美元的国家点火装置 (NIF) 中，用 192 台激光器发出的紫外线照射BB大小的聚变燃料胶囊，他们引发了核聚变反应，释放了 1.3 兆焦耳的能量，大约是被吸收的 250 千焦耳能量的五倍，胶囊，来自微小等离子体团的能量发射，大约是一个边长为人头发宽度的立方体，在大约一百万亿分之一秒内发生。

这次发射发生在 8 月 8 日，摧毁了该设施之前在 2 月份观察到的 170 kJ 的创纪录产量，是一年前获得的最佳结果的 25 倍。，赫尔曼 (Mark Herrmann) 说，每个人都步履阑珊，结果尚未经过同行评审。尽管这一成就代表了聚变研究的一个里程碑，但实验室并未宣布点火，这是 NIF 命名的目标，并计划在 2012 年实现。聚变产率低于 NIF 激光器带来的 1.9 MJ。压在称为空腔的空心目标上，燃料舱悬在其中。1997 年美国国家科学院对 NIF 设计的审查将点火定义为等于或大于激光能量输入的聚变产额。在 NIF 的方法（称为间接驱动）中，85% 的激光能量在紫外到 X 射线的转换过程中损失掉了，这些能量发生在空腔内。

美国海军研究实验室 (NRL) 激光聚变项目的前任主任斯蒂芬博德纳 (Stephen Bodner) 一直对 NIF 和间接驱动方法持批评态度，他祝贺实验室取得的成就，称这对他来说已经足够接近点火了。“他们取得了惊人的进步，”他说。“我很惊讶他们找到了一种方法来最小化激光等离子体问题，”他说。他补充说：“这向世界证明，激光聚变不能奏效并没有根本原因。”但 Bodner 警告说，由于间接驱动的低效率，NIF 结果不会外推到更高的能量增益。“如果你想获得高增益，你必须直接照亮目标，”他说，指的是激光能量学 (LLE) 和 NRL 实验室采用的一种方法，其中激光束对称地射向燃料舱。

纽约罗彻斯特大学 LLE 主任迈克尔坎贝尔说，大多数科学措施都可以实现点火，包括聚变反应中的 α 粒子加热等离子体并产生更多聚变的程度。“它使美国有能力研究与[核武器]管理相关的燃烧等离子体和高能物理学，”他说。“这是一项巨大的科学成就。” 与 NIF 一样，LLE 及其 Omega 激光器由美国能源部国家核安全管理局 (NNSA) 资助。Jill Hruby 是美国能源部负责核安全的副部长和国家核安全局局长。“NIF 的这些非凡成果推进了 NNSA 赖以实现核武器和生产现代化的科学。它还为研究替代能源提供了潜在的新途径，可以帮助经济发展和应对气候变化，”她在一份说。通过大多数措施，NIF 结果超过了托卡马克所取得的最佳结果，托卡马克在磁场中装瓶聚变等离子体。1997 年，联合欧洲环面产生了大约 16 兆瓦的功率，大约是启动反应所需功率的三分之二。

激光聚变，也称为惯性约束聚变，是由约翰·努克尔斯在 LLNL 发起的，他在 1960 年激光发明后不久成为实验室主任。目标一直是在实验室规模创造什么发生在热核武器的第二阶段。当 NIF 于 2009 年开始进行实验时，比原计划晚了五年，LLNL 的科学家们相信他们可以在两年内点燃。这项名为“国家点火运动”的协同努力于 2012 年正式结束=，聚变射击的频率被缩减，以支持其他支持核武器计划的研究。但实验人员继续测试各种成分和不同形状的胶囊和黑腔，同时还微调激光脉冲的时间和顺序。到目前为止，他们还无法以防止等离子体挤出所需的精确对称度使燃料舱内爆。

多年来，该实验室开发了一套独特的诊断工具，可以更清晰地了解反应动力学。这些工具包括 3D 中子和 2D X 射线成像仪器以及中子飞行时间探测器。Herrmann 指出，在之前的实验中，从内爆一侧离开胶囊的中子比从相反方向飞出的中子提前几皮秒到达。这些极其灵敏的测量表明，等离子体正在向一个方向喷射。问题可以追溯到胶囊的圆形不圆几分之一微米。实验室尚未重现本月的结果，赫尔曼警告说，这样做可能并不简单。“我们不知道连续拍摄会有什么变化。这是一个非线性过程，阿尔法加热会加热聚变燃料并产生更多聚变，从而产生更多热量。” Herrmann 说，留在等离子体中的 3.5 MeV α 粒子产生了 20% 的聚变产率，其中 14 MeV 中子占了大部分能量。

进一步的实验将需要制造额外的燃料舱和空腔。Herrmann 说，这些可能至少要到 10 月才能准备好。在本月的活动中爆炸的纳米晶金刚石涂层胶囊在 General Atomics 花了六个月的时间才能生长，该公司长期以来一直与 LLNL 合作制造胶囊。球体必须被抛光，核心的内部必须用工具蚀刻，这些工具穿过一个直径为 2 微米的孔钻进它。氚-氘混合物在射击前通过一个微小的填充管注入。

实验室仍在分析拍摄的结果。目前尚不清楚目标、激光脉冲长度或其他变量的哪些或何种组合导致了性能的飞跃。一些仪器因反应的意外收率而饱和。一些用于其他非点火实验的靶室需要修理。Herrmann 承认，该公告偏离了同行评审出版的标准做法。但他说，结果正在泄露，“所以我们想把它公布出来，这样人们就可以讨论事实。

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