近日,《Nature》對外激動發聲,稱美國核聚變實驗在過去一年中,進行瞭四次可控核聚變點火試驗,創造多項新紀錄。NIF的首席設計師也借此成就順利入選瞭Nature年度十大人物,美國甚至會因為這次突破而進入到可控核聚變技術的新時代。
可控核聚變技術作為人類科幻作品裡的常客,如果被我們徹底掌握這項技術,就能帶來取之不盡、用之不竭的清潔能源。人類所謂的能源危機也會徹底解決,接著在可控核聚變所帶來的恒星級能源中,去實現空前未有的科技突破。
日思夜想的核聚變技術,難道在美國的突破下瞬間變成瞭常態?目前人類仍面臨著哪些挑戰阻礙呢?
核聚變技術
太陽的中心溫度高達1500萬攝氏度,並且達到3000多億個大氣壓。核聚變反應促使太陽每秒消耗物質為500萬噸,所迸發的能量更是無法想象。
可以設想,在地球誕生的45億年來,太陽就猶如一個巨大無窮的核聚變裝置,不斷進行氫聚變成氦的的反應過程,數億年如一日的散發著輻射能量。
與其說太陽照亮地球,不如說核聚變照亮地球,而人類在地球上使用的石油、煤電和食物,多數都來自於核聚變能。但是人類社會發展至今,依靠太陽傳遞的能源已經遠遠不夠,我們開始構思如何自主掌握這種強大的核能量,在地球上建立一個“人造太陽”。
NIF就是這樣一個裝置,它是世界上最大的激光器,由美國加利福尼亞州勞倫斯•利弗莫爾國傢實驗室(LLNL)研制而成,可以通過模仿太陽中心的壓力和熱量,來實現核聚變反應。NIF的實驗原理是通過對192條激光束的精準控制,聚焦在一個點位上,來模擬恒星內部核聚變的溫度壓力。
核聚變作為宇宙中最廣泛強大的能量源,歸根結底就是兩枚輕原子核在高溫高壓下融合為重原子核,並釋放能量的過程。核聚變全過程不存在污染,主要燃料就是氘和氚,這兩種物質在地球上可通過多種方式獲取。
核裂變與核聚變相比有什麼區別呢?目前全球所使用的核能都來自於核裂變技術,雖然帶來的清潔能源同樣高效,但核裂變產生大量輻射廢料,易造成極端安全隱患,所以核聚變才是未來的正選。目前人類對核聚變技術所存在的最大難題,就是如何持續讓核聚變反應釋放的能量大於輸出的能量。
2022年12月14日,實驗室往核聚變材料聚焦2.05兆焦耳能量,最終產生瞭3.15兆焦耳的能量輸出。隻有聚變反應堆釋放的能量超過試驗所投放的能量,或者說所消耗的能量,才能被稱之為點火。而實驗室無疑創造瞭人類的先例,可謂居功至偉。
今年7月30日,實驗室再次通過192束激光向氫同位素氘和氚小球發射瞭2.05兆焦耳,同位素釋放能量的瞬間溫度要高於太陽核心的六倍多,最終獲得瞭3.88兆焦耳的能量輸出,再次創造記錄。
10月30日,實驗室再次嘗試輸入2.2兆焦能量,並獲得瞭3.4兆焦的能量輸出。盡管有人質疑NIF所獲得的能量輸出隻能燒大概10壺開水,但在此之前還從未有任何一個國傢能實現核聚變輸出能量大於消耗能量的壯舉。而實驗室接二連三的點火成功,意味著這一壯舉絕非偶然現象,實驗室已經擁有常態化能力。
為瞭達成這十壺開水的目標,實驗室整整用瞭十餘年。2010年NIF點火裝置建立,在12年的研究過程中,所投資金額已經積累至幾十億美元,這是人力財力的雙重考驗,而美國經受住瞭此次考驗。
在此期間,實驗室對NIF作出瞭諸多改進。比如對點火裝置三分之二的光束線使用熔融二氧化矽碎片屏蔽,讓碎片引發的損傷率最多可降低100倍,以及全新的抗反射塗層、進一步擴大光學回收循環容量等等。
激光脈沖的準度在幾十億分之一秒的剎那間,為瞭盡可能提高精確度,實驗室近日完成瞭脈沖整形系統項目,以此更精準的實現功率平衡和控制。
盡管實驗室已經取得瞭矚目的成就,但目前NIF還存在效率極低的難題。超過99%的能量在抵達目標前就已經完全損失,極大降低瞭系統效率,所以盡管美國目前已經是全球核聚變的引領者,但他們距離向電網提供核聚變還有相當漫長的道路要走。
接下來,美國政府計劃在四年內追加4200萬美元投資,來建立三個全新研究中心,共同克服這一困難阻礙。
困難與成就
女性物理學傢Annie Kritcher,作為此次核聚變計劃的首席核心人物,也是順理成章的入選瞭Nature年度十大科學人物。
Kritcher從2004年開始著手研究核聚變能源,並在2012年正式加入到NIF。她入職後的主要工作是負責計算機的模型設計實驗,對激光束的能量時間進行各項參數調整。Kritcher在團隊中充分展現瞭自身卓越的才幹和領袖魅力,2016年她一躍成為NIF首席設計師。
成為首席設計師之後,Kritcher率領團隊嘔心瀝血對實驗項目進行運算調整,她精益求精想方設法提高核聚變的產量。在如願點火成功後,現在Kritcher又將目光瞄向瞭實現更多兆焦耳和更高產能的新實驗。
總體來說,Kritcher入選年度科學人物是實至名歸,而團隊成果她更是功不可沒。
可控核聚變並非隻有NIF一條路可走,國際熱核聚變實驗堆(ITER)也被稱為人造太陽,此類設備還有許多。可以確定全球有許多核聚變實驗在同時進行,俄羅斯、日本和印度都不想錯過這個改天換命的最佳契機。
既然如此,那我們的核聚變技術又發展如何呢?
早在2006年,中國就加入瞭國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,並承擔瞭10%的研發任務,職責和地位僅次於歐盟。歷經17年潛心研究,中國目前在核聚變領域也取得瞭耀眼的成就。
2020年底,我國核聚變裝置落地成都並實現放電,它可以將等離子電流能力提升到2.5兆安培以上,這是中國核聚變技術史無前例的突破。2022年該裝置等離子體電流突破100萬安倍,再創我國核聚變裝置新紀錄。
今年8月,我國新一代人造太陽環流三號首次實現高約束模式100萬安培等離子體電運行,該成就也使得中國的可控核聚變躋身國際一流水準。
可控核聚變技術是人類解決能源問題的最優解,對我國的經濟、科技發展方方面面都有著重大意義,因此中國的可控核聚變技術不能落後於世界上任何一個國傢。
中美在可控核聚變技術上選擇瞭兩條截然不同的研究路線,因此比較之下實則不存在孰強孰弱、孰優孰劣的問題。隻希望二者能並駕齊驅,為人類社會發展帶來嶄新的機遇。