美国国家点火设施激光动力聚变首次实现“收支平衡”

发布机构：Science Alert网站

发布时间：2024年2月6日

信息来源：https://www.sciencealert.com/its-confirmed-laser-fusion-experiment-hit-a-critical-milestone-in-power-generation

      2022年12月，美国国家点火设施的科学家宣布了一个历史性的里程碑：他们的激光动力聚变反应首次“收支平衡”，产生的能量多于消耗的能量。

      但是，像这样大的进步需要严格检查——这可能需要一些时间。

      重要的是，一系列详细介绍实验设计、技术进步和最初突破性反应结果的论文刚刚通过了同行评审，这意味着没有参与这项工作的研究人员已经审查了方法和发现，以检查总和。

      “这一成就是五十多年研究的结晶，证明了基于基本物理原理的实验室核聚变是可能的，”间接驱动ICF（惯性约束聚变）合作的团队成员在五篇论文的第一篇中写道。

      如果利用和扩大规模，核聚变有望成为丰富、取之不尽用之不竭的清洁能源，而不会产生化石燃料的温室气体排放或核裂变的放射性废物。聚变是两个或多个原子合并形成一个更大的原子，在此过程中释放能量。

      这些基于实验室的反应与商业规模的应用相去甚远，它们模仿了在微小范围内为我们的太阳和恒星提供动力的聚变反应。如果没有太阳的质量来提供一些引力土壤，地球上原子融合的方法依赖于热量。

      在这种特殊的聚变技术中，热量是通过强大的光爆发传递的。这些实验包括用192个高功率激光轰击一个仅含有220微克氘和氚燃料的胶囊，将压力提高到6000亿个大气压，将温度提高到1.51亿°C（约合2.72亿°F）。

      这些条件远远超过太阳内部的条件，导致燃料内爆，氘和氚原子融合成氦并释放能量。

      在2022年12月的突破性实验中，激光向燃料发射了2.05兆焦耳（MJ）的能量，释放了3.15兆焦耳的能量——因此反应产生的能量大约是输送到燃料中的能量的1.5倍。

      新论文详细介绍了使“收支平衡”成为可能的进展，包括修补燃料混合物，消除胶囊壁的缺陷，增加豌豆大小的胶囊的质量，提高激光能量以及增加使用的燃料量。

      通过所谓的点火阈值预示着核聚变研究的新时代，此后一直持续取得进展：研究人员在去年的几次实验中发射了更多能量的激光器并产生了更多的能量。

      研究人员还报告了2023年年中最近的一项实验的结果，该实验从相同的2.05 MJ能量输入中产生了3.88 MJ的能量——大约是注入能量的1.9倍，这是迄今为止最高的产量。

      然而，请记住，在这些实验中，大量的能量被用于为激光器供电：500万亿瓦，是美国国家能源网在任何时刻发电的一千倍。因此，在这些聚变反应真正产生比引发它们更多的能量之前，还有很长的路要走。

      “我们有可能实现核聚变，”伯明翰大学核物理学家马丁·弗里尔（Martin Freer）告诉《新科学家》的马修·斯帕克斯（Matthew Sparks）。“但从科学上讲，我们面临的挑战非常严峻。”

      尽管核聚变有望提供清洁能源，但科学家们也强调，核聚变并不是我们应对气候危机所需的直接解决方案。

曼彻斯特大学核聚变研究员Aneeqa

      Khan说，商业核聚变设施还需要几十年的时间，我们需要在未来6年内（到2030年）将全球碳排放量减少近一半，以扭转气候。

      幸运的是，我们已经拥有可再生能源技术来做到这一点。

      这五篇论文已发表在《物理评论快报》上。