要点:
实验性核反应,产生的能量比输入的能量还要多,震惊了世界,这是科学界的圣杯,旨在寻求无限的清洁能源,以结束化石燃料时代。
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美国劳伦斯利佛摩国家实验室/Lawrence Livermore National Laboratory,简称LLNL周日2023年8月6日宣布,继去年12月以后,第二度使用实验性质的核融合反应炉,达成“能量净增益”,而且产能还更高。该实验室的科学家在7月30日在“国家点火设施”/National Ignition Facility尝试重复核融合点火,结果达成的能量净增益比去年12月更高。美国重复了核聚变实验,让科学家们离创造无尽的清洁能源又近了一步。
国家点火装置/NIF使用强大的激光系统和X射线实现了聚变点火。图片来源:NIF,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
LLNL发言人表示,目前结果还在分析中,“自从2022年12月第一次在国家点火设施展现融合点火,我们继续做实验,研究这个令人兴奋的新科学机制。在7月30日进行的实验,我们在国家点火设施重复了点火。按照我们的标准做法,会在接下的科学研讨会和同侪审核的发表中报告这些结果。”
LLNL实验室去年12月5日利用雷射进行核融合实验,达成能量净增益。主要就是将超高能量雷射光束集中在一个目标燃料上,将两种比较轻的原子融合成为一种更重的原子,释放出能量。当时能源部表示,雷射光束对目标射出2.05百万焦耳/MJ能量后,产生3.15百万焦耳的能量,这些能量大约足以为家用熨斗供电一个小时。换言之,产生的能量超乎投入的能量。
自20世纪50年代以来,物理学家们一直试图利用为太阳提供能量的核聚变反应,但直到去年12月,还没有任何研究小组能够从该反应中产生比其消耗更多的能量--这种情况也被称为点火。能源部当时把这称为数十年来重大科学突破,可以为国家防进展和未来的清净电力铺路。科学家过去100年已知融合技术就是太阳能量的来源,一直努力在地球上发展融合技术。未来企业如果能将零碳排放的核融合技术提升至商业规模,可望有效帮助减缓气候变迁的影响。
许多人认为聚变能是解决世界排放问题和持续能源短缺的灵丹妙药。它将两种类型的氢(氘和氚)粉碎在一起,产生中子和大量能量,且不产生温室气体。与核裂变不同的是,它不会产生放射性废物,私营公司和政府都希望在15年内破解聚变发电。
然而,要实现核聚变在工业规模上可行、为家庭和企业提供电力,还有很长的路要走。世界各地的核电站目前利用裂变(重原子核的分裂)来产生能量。另一方面,聚变将两个轻氢原子结合成一个较重的氦原子,在此过程中释放大量能量。这就是恒星内部的情况,包括我们的太阳。在地球上,可以通过在专用设备内将氢加热到极端温度来引发聚变反应。与裂变一样,聚变在运行过程中是无碳的,并且具有其他关键优势:它不会造成核灾难的风险,并且产生的放射性废物也少得多。
尽管许多科学家认为聚变发电站还需要几十年的时间,但该技术的潜力不容忽视。聚变反应不排放碳,不产生长寿命的放射性废物,理论上一小杯氢燃料可以为房屋提供数百年的电力。研究最广泛的方法被称为磁约束,它使用巨大的磁铁将燃料固定在适当的位置,同时将其加热到比太阳还热的温度。 National Ignition Facility/NIF使用一种不同的过程,称为惯性约束,向一个微小的燃料胶囊发射世界上最大的激光,从而引发内爆。
在这种情况下,能量增益仅将产生的能量与激光器中的能量进行比较,而不是与从电网为系统供电的总能量进行比较,后者要高得多。科学家估计,商业聚变需要产生的能量是激光能量的30到100倍。 NIF每天最多进行一次射击,而内部密闭发电厂可能需要每秒完成几次射击。然而,一位了解结果的人士表示,NIF在取得初步突破“仅八个月”后就取得了改善,这进一步表明进展速度正在加快。