新智元报道
新智元报道
【新智元导读】一年前,人类首次实现核聚变反应的净能量增益。这一年里,NIF不断改进,又成功实现三次点火,连破多个纪录!就在近日,项目的首席科学家,更是入选了Nature年度十大人物。
美国可控核聚变实验,四次实现净能量增益!
去年12月14日,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)首次实现可控核聚变点火成功,为全人类摘下清洁能源「圣杯」——
在向目标提供2.05兆焦耳(MJ)的能量之后,产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出,能量增益约为1.5。
2023年7月30日,实验室首次实现3.88兆焦耳的输出能量,创下历史最高。
10月30日,实验室再刷记录——输入能量首次达到2.2兆焦。同时,3.4兆焦耳的输出能量也位列第二。
面对一次又一次的成功「点火」,Nature也激动地发文表示——激光核聚变即将进入一个全新的时代。
可以想象,当可控核聚变最终实现时,人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源,彻底改变未来的能源路线图。
也就是说,到了那时,就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体,不再有危险、长效的放射性废物——人类将得到真正意义上的「清洁能源」。
这意味着进入电气时代后,一直困扰着人类的能源紧缺问题将从此消失。人类甚至能在可控核聚变带来的恒星级能源中,实现前所未有的科技突破。
四次成功点火,连续刷新记录
不过,让我们先回到现实。
让激光器提供如此巨大能量的真正难点在于,如何保护NIF珍贵的光学元件不会受到碎片的损伤。
NIF是世界上唯一一个能在损伤阈值以上运行的激光系统,而这在一定程度上就得益于实验室研发的光学回收循环系统。
强化光学元件
2023年6月,NIF完成了两项关键的改进措施,这对实现2.2兆焦耳的输入能量来说至关重要。
包括在NIF三分之二的光束线上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽,以及在32条下半球光束线上安装金属屏蔽。
这些改进将由碎片引起的损伤率降低了10到100倍,具体取决于光束线。由于重力原因,较低光束线的光学元件接收到了来自靶室最多的碎片。
除此之外,其他的改进还包括,新的抗反射涂层、蒸汽六甲基二硅氨烷(HMDS)处理和光学回收循环容量的增加。以及新的「灰边阻断器」,用于解决一个科学家们尚未完全确定的问题。
不只是能量的增加
要维持NIF在科学领域取得的惊人突破,单靠增加能量是远远不够的——
激光脉冲的持续时间仅为几十亿分之一秒,因此需要极高的精确度才能达到理想效果。
为了达到这个目标,团队最近完成了高保真脉冲整形(HiFiPS)系统的部署工作。
作为一个历时多年的项目,HiFiPS能够更精确、更准确的脉冲整形,进而在内爆中实现更好的功率平衡和对称性控制。
此外,团队还翻新了设施中的光纤,使其更能承受反复的中子暴露。这些光纤用于精确测量传递给目标的激光脉冲。
翻新后,信号强度直接提高了10到100倍,而研究人员也能够继续准确地「观测」激光性能。
然而,从目前的技术水平到实现向电网提供聚变能源,仍然有很长的路要走。
尽管NIF拥有目前世界上最大的激光器,但该系统效率极低,在每次点火中,有超过99%的能量在到达目标前就已损失殆尽。
而开发更高效的激光系统,便是DOE新启动的惯性聚变研究计划的一个重要目标。
最近,该部门宣布将在四年内投入4200万美元,建立三个新的研究中心,来共同努力实现这一目标及其他科学进步。
其中,每个中心都将包括国家实验室、大学研究人员和行业合作伙伴。
首席科学家,入选Nature十大科学人物
而整个核聚变计划的核心人物之一,物理学家Annie Kritcher,也成功入选了Nature年度十大科学人物,
2022年,Annie Kritcher在国家点火装置(NIF)上实现了一个几十年来全世界实验室都难以实现的目标——将原子压缩到极致,使得它们的核发生融合,并产生出比反应本身消耗的还要多的能量。
但是,在达到这一实验里程碑(即点火)之后,团队面临着重复这一成就的压力。
高风险的研究很少能一帆风顺:团队在6月份进行了首次复现,但结果却差强人意。
好在,第三次尝试取得了成功。
7月30日,NIF的192束激光向悬浮在金圆筒中冷冻的氢同位素氘和氚小球发射了2.05兆焦耳的能量。
由此引发的内爆使同位素在融合成氦的过程中释放出能量,并产生了6倍于太阳核心的温度。
最终,这些创造出了破纪录的3.88兆焦耳聚变能。
放眼世界,在NIF取得这一成就之前,还没有哪个实验室可以实现输出能量大于消耗能量的聚变反应。
随后,Kritcher和她的团队又在10月份成功地进行了两次点火,从而让总点火次数达到了四次。
2004年,Kritcher在利弗莫尔进行暑期实习时,就开始研究聚变能源。很快她就将目光投向了NIF——世界上为数不多可以研究聚变反应的地方。
2012年,Kritcher正式加入NIF。
从那时起,她就带领团队分析实验数据,并使用计算机模型设计实验——通过调整目标的大小和配置以及各种激光束的能量和时间等参数,实现并提高核聚变产量。一旦她的团队完成设计,实验团队就会接手发射激光并收集数据。
过程中,Kritcher表现出了非常卓越的能力,而这也让她在2016年成为了NIF的首席设计师之一。
在接下来的几年里,Kritcher和她的团队一直在对NIF的主要实验项目进行数字运算和设计调整。在对目标进行各种改动的同时,团队还利用各种改进措施提高了激光的总体能量。结果就是,核聚变的实现,越来越频繁了。
随着「点火」的成功,Kritcher又开始了一系列新的实验——通过向更厚的靶囊提供更多的激光能量来再次提高产量。
而这也代表着,NIF向实现数十兆焦耳甚至更高产能的目标,又迈进了一步。
可控核聚变,清洁能源的「圣杯」
简单地说,「核聚变」就是两个轻原子核结合成一个较重的原子核,并释放出巨大能量的过程。
两个氢原子碰撞并聚合成氦原子,氦的质量比原来的氢原子略小。根据爱因斯坦标志性的E=mc²质能方程,这个质量差会转化为能量爆发出来。
在太阳的核心,每秒都在发生6.2亿吨氢的核聚变。产生的能量,是地球上一切生命的源泉。
但利用核聚变的一大难题之一,就是如何让核聚变反应释放的能量大于输入的能量,并且让过程可持续。
NIF点火原理
20世纪60年代,LLNL的一组先锋科学家就作出假设:激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。
随后,在物理学家John Nuckolls的领导下,这一革命性的想法演变为惯性约束核聚变。
为了实现这一概念,LLNL建立了一系列越来越强大的激光系统,最终建立了世界上最大、能量最强的NIF。
工程奇迹
虽然,我们现在还不能借助这个装置,将核聚变要真正应用于发电。
但是在60年的尺度上,人类已经取得了重大的突破。
对于未来,我们或许也可以抱有更多的想象力。
内容中包含的图片若涉及版权问题,请及时与我们联系删除
评论
沙发等你来抢