美國「人造太陽」大突破?史上第一次自持燃燒,和中國的大不一樣

非常x視界 發佈 2022-08-18T14:47:20.018305+00:00

參考:Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment。

人造太陽是人類能源的終極夢想,一旦在地球上點燃氫聚變並實現自持燃燒,人類就有望實現能源自由,徹底擺脫對化石能源的依賴,我們的星球也將不再被持續加熱,避免即將到來的氣候崩潰,生靈塗炭。

現在,美國的「人造太陽」——國家點火裝置,已在人類歷史上第一次實現了自持燃燒,8月8日同時發表的3篇重磅論文,詳細介紹了達成這一進步的實驗設計、改進、測量和結果。那麼,這是不是意味著美國的「人造太陽」就要升起,率先實現可控核聚變的重大突破了呢?事情可能複雜得多,而且中間還藏著一個人所皆知的重大「秘密」。

能量來自哪裡?

宇宙大爆炸後經歷了漫長的黑暗時期,直到分子雲坍縮點燃氫聚變形成恆星,整個宇宙才被照亮,而氫聚變就成了這個宇宙中最主要的能量來源。我們的星球也是沐浴在太陽氫聚變釋放的能量中,孕育出日趨複雜的生命形式,直到我們人類的出現。

但太陽的光輻射飛向四面八方,地球能得到的,僅僅是微不足道的極小部分,千百年來我們只能靠燃燒化石燃料來維持發展,導致地球被不斷加熱,氣候崩潰可能已近在咫尺,人類和其他生命岌岌可危。

兩種人造太陽

人造太陽可能就是力挽狂瀾的關鍵,它可以把太陽搬到地球,在地球上實現氫聚變,讓我們有取之不盡,用之不竭的能源,而又不用加熱我們的星球。

在地球上實現氫聚變目前主要有兩個方向,一個是托卡馬克裝置,利用磁場來約束高溫等離子體,維持氫聚變,包括國際熱核聚變實驗反應堆、中國的東方超環及韓國的類似裝置等,都是屬於這一類型。

而美國的國家點火裝置屬於另一個方向,它是一種慣性約束裝置,利用強大的雷射壓縮聚變材料,使其內爆產生高溫高壓來點燃氫聚變,更像是發生在太陽中的情形,只不過太陽是通過物質的巨大引力,而不是雷射來壓縮中心的聚變材料。

無論是哪種人造太陽,都需要輸入巨大的能量,才能實現氫聚變點火——這裡要解釋一下,實際是氫的同位素氘-氚聚變,這種聚變相對來說是最容易實現的,所以目前的人造太陽實驗用的都是氘和氚,為方便起見,我還是統稱氫聚變。

人造太陽如何才算成功?

人造太陽成功的最終標誌,就是氫聚變點火-自持燃燒-產生的能量大於輸入的能量總和。

目前全球的托克馬克裝置都還未能實現氫聚變點火,中國的東方超環已實現1.2億度101秒等離子體運行,1.6億度20秒等離子體運行,以及1056 秒的長脈衝等離子體運行,接連刷新世界紀錄。但這仍離人造太陽升起發電還有很長的距離,韓國的預期是在未來30年內開始利用核聚變發電。

美國國家點火裝置

美國的國家點火裝置,是用3個足球場大小的各種設施設備,產生192束強大的高能雷射,分成兩組射進一個直徑10米,重達130噸的鋼球「靶室」里,在10億分之一秒的時間內,相向射入中間一個直徑約6.72毫米,由金和鈾製造的圓柱形「黑腔」,而黑腔的中央,是一個1毫米大小,裝著約200微克氘氚燃料的膠囊。

雷射的總能量高達200萬焦耳,峰值功率500萬億瓦,從「黑腔」的兩端射入後會在內壁反射產生X射線,讓3個足球場大小裝置產生的能量轟擊區區1毫米大小的膠囊,導致其瞬間坍縮(內爆),速度高達350公里/秒,氘氚原子在1億攝氏度的極端高溫和1000萬個大氣壓下發生聚變,產生氦原子核(α粒子),並釋放高能中子和其他形式的能量。

這時候如果條件合適,內爆對稱,壓力和溫度足夠高,這些α粒子就可能轟擊周圍的氘氚燃料,引發可以自持的聚變反應,相當於我們用雷射去點火,這個裝置因而被命名為國家點火裝置。

這次論文所說的點火,實際是在去年8月8日實現的,在這個過程中膠囊產生了1.35兆焦耳 (MJ)的能量,是它內爆點接收能量的50倍,膠囊接收能量的6倍,輸入雷射能量1.9兆焦耳的70%——如果達到或超過100%,才能說這個微型人造太陽完全成功了。而地球歷史上首次發生的受控氫聚變連鎖反應,也僅持續了100萬億分之一秒,之後的重複實驗,也未能再現這樣的過程,由此可見,要實現自持氫聚變是多麼的困難。

這個原因其實說複雜也複雜,說簡單也簡單,要用3個足球場大,長達1公里的廠房設備,把422兆焦耳電容存儲的能量,轉換成1.9兆焦耳的192束雷射,精確引導到一個1毫米大小的膠囊上,時間誤差還不能超過30皮秒,整套設備必須實現零震動和零熱脹冷縮,所有機械都必須完美,即使10噸重的設備,安裝誤差也不能超過100微米,這就意味著任何些微的差錯,都可能導致結果的面目全非。

美國人造太陽的秘密

然而,如此厲害的裝置,如此重大的突破,這個玩意兒卻並不是專為人造太陽而建的,而是藏著一個人所皆知的重大「秘密」。這就是在全球禁止核試驗後,美國可以通過這個裝置測量與溫度、密度和壓力相關的聚變參量,作為計算機模擬核爆的標定參數,為評估核武器提供秘密的關鍵數據——你知道它是幹什麼的,但你不知道它幹了什麼,得到了什麼。

所以雖然只實現了這一次的自持氫聚變,但這一年裡在其他基礎物理方面,美國科學家們也進行了很多實驗。而最關鍵的是,這個裝置已為美國培養了眾多高水平的人才,推動了核聚變和其他核技術等多個領域的發展,並保證了核武庫的長期安全和性能。

國家點火裝置的點火,就像人為壓縮氘氚製造一個極為微小的太陽;

托克馬克裝置的點火,則是利用超導建立的強大磁場,將上億度的等離子體約束在直徑數米的範圍內,更像是一個真正的太陽。

所以我覺得真正的人造太陽,可能還是托克馬克裝置,美國這個倒像是打醬油的,要是把兩者結合在一起會怎樣?

這三篇論文發表在8月8日的《物理評論快報》和《物理評論E》上,剛好是在一年之後,無疑具有極為重要的意義。

參考:

Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment

Experimental achievement and signatures of ignition at the National Ignition Facility

Design of an inertial fusion experiment exceeding the Lawson criterion for ignition

關鍵字:

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