據(jù)英國《金融時報》網(wǎng)站報道，7月30日，美國加利福尼亞勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)科學家在美國國家點火裝置(NIF)上開展的一項實驗中，成功實現(xiàn)了激光驅動核聚變點火——聚變產(chǎn)生的能量多于激光輸入的能量，繼2022年12月之后，核聚變反應再次實現(xiàn)凈能量增益!
關于美國實現(xiàn)的凈能量增益，有媒體將其譽為本世紀以來最重大的技術突破。對此，中國工程院院士、慣性核聚變專家杜祥琬認為，該突破確實是一個重大進步，具有科學意義，但是當前離實現(xiàn)高增益的核聚變商業(yè)規(guī)模發(fā)電，還存在無法跨越的技術障礙。
“從提出激光驅動慣性約束聚變到現(xiàn)在已經(jīng)過去50年，除了建造巨大激光器的技術困難以外，在慣性聚變科學問題上更是經(jīng)歷了幾代人艱苦探索、不斷深化科學規(guī)律認知的過程，所以這次NIF上實現(xiàn)第二次點火，意義重大。”中國科學院院士賀賢土對科技日報記者表示，但要借助該技術實現(xiàn)無限清潔能源的夢想，仍有很長的路要走。
核聚變優(yōu)勢突出
行星發(fā)動機、量子計算機、太空電梯……電影《流浪地球2》中的“硬核”科技元素讓人嘆為觀止，而行星發(fā)動機推動地球利用的正是可控核聚變技術。
太陽之所以有源源不斷的能量，就在于其內部一直在進行大量的核聚變。核聚變是兩個輕量元素的原子核聚合到一起，同時釋放巨大能量的核反應。太陽內部的日核區(qū)溫度極高、壓強極大，使核聚變反應持續(xù)發(fā)生。
核聚變的“燃料”易于獲取，不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，也不會產(chǎn)生放射性廢物。因此，核聚變被認為有望提供近乎無限的清潔能源。一旦實現(xiàn)核聚變商業(yè)規(guī)模發(fā)電，將一舉解決困擾全人類的能源緊缺問題，為應對氣候變化、保護環(huán)境和解決貧困與發(fā)展問題注入不竭動力，從而改變人類的未來。
賀賢土指出，核聚變具有三大優(yōu)勢。首先，原料儲量巨大，在核聚變中相對容易實現(xiàn)的是氘-氚聚變反應，海水中蘊藏了幾乎取之不盡的氘，取一礦泉水瓶(約550毫升)的海水可提取約0.015克氘;而中子與鋰-6作用可產(chǎn)生氚，海水和陸地中鋰-6蘊藏量豐富，也幾乎取之不盡。其次，核聚變反應不排放碳，也不會產(chǎn)生任何長期放射性廢物。氘—氚聚變反應的最終產(chǎn)物是氦和攜帶大量能量的中子，不會造成任何污染，對環(huán)境很友好。最后，與核裂變不同，核聚變中，在物理上不可能發(fā)生類似切爾諾貝利或福島事故的事件，因為一旦發(fā)生故障，反應就會自行熄滅。
然而，核聚變反應極為劇烈，想要捕捉太陽之火，駕馭恒星的能量，最大的難點在于實現(xiàn)核聚變的穩(wěn)定可控，即控制核聚變的速度和規(guī)模，以實現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。可控核聚變已然成為實現(xiàn)能源用之不竭終極夢想的可能途徑。
可控核聚變的兩條技術路線
目前，在地球上實現(xiàn)可控核聚變主要有激光慣性約束和磁約束核聚變兩大技術路線。
激光慣性約束核聚變是采用激光作為驅動器壓縮氘氚燃料靶球，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內實現(xiàn)核聚變點火燃燒。這也是美國LLNL采取的技術路線。
磁約束核聚變是采用強磁場約束等離子體的方法，把核聚變反應物質控制在“磁籠子”里。托卡馬克裝置是實現(xiàn)磁約束核聚變的理想容器，國際熱核聚變實驗反應堆計劃(ITER)的目標就是建造最大、最復雜的托卡馬克裝置，以驗證核聚變能源的科學和工程可行性。
自2022年以來，美國不斷傳來好消息，LLNL在激光慣性約束核聚變實驗中兩次實現(xiàn)凈能量增益。在可控核聚變的兩種技術路線中，激光慣性約束似乎更具前景。情況真的如此嗎?
再次實現(xiàn)凈能量增益
2022年12月，LLNL研究人員取得了一個具有里程碑意義的歷史性成就：聚變反應產(chǎn)生的能量超過了輸入的能量。在該實驗室的NIF激光能量驅動下，含氘氚靶球產(chǎn)生足夠的熱量和壓力，將氫的同位素氘和氚轉化為可發(fā)生核聚變的等離子體。NIF輸出了2.05兆焦耳的激光能量，反應產(chǎn)生的能量約為3.15兆焦耳，燃燒了靶球中約4.7%的氘氚裝量。雖然這些數(shù)字遠未達到商業(yè)核聚變反應堆的要求，但它為利用聚變反應堆發(fā)電帶來了至關重要的希望。
今年7月30日，該實驗室再次實現(xiàn)了點火，而且，反應堆產(chǎn)生了約3.5兆焦耳的能量輸出。
LLNL發(fā)言人8月7日接受《新科學家》雜志采訪時表示，目前他們正進行分析，并計劃在即將舉行的科學會議上提交最終結果。
激光慣性約束仍面臨“攔路虎”
這意味著核聚變發(fā)電“夢想照進現(xiàn)實”了嗎?《新科學家》雜志網(wǎng)站在報道中一針見血地表示，還沒有。
賀賢土解釋稱，要使聚變反應輸出的能量高于激光器輸入的能量，需要改善激光器的性能。目前，NIF激光器本身效率極低。電能變?yōu)榧す獾哪芰啃始s為0.5%，為產(chǎn)生2.1兆焦耳的光能，激光束至少需要提供大約400兆焦耳的能量。此外，NIF激光輸出一次只能點火一次，且持續(xù)時間僅為幾十億分之一秒，然后必須冷卻幾小時才能再次啟動。而商業(yè)反應堆需要每秒點火多次。
“為使激光慣性約束聚變應用于能源，科學家們面臨的一個重大挑戰(zhàn)是建造高效、高重復頻率的新型激光器，同時大幅提高靶球中的氘氚燃燒效率，創(chuàng)造一個聚變反應輸出能量數(shù)倍于激光提供的能量的條件。”賀賢土強調。
未來任重而道遠
英國倫敦帝國理工學院等離子體物理學教授杰里米·奇滕登指出，此次具有里程碑意義的點火有效地證明核聚變科學是合理的，并使科學家們面臨的問題成為工程問題而非物理問題。賀賢土說：“雖然LLNL反應堆的效率會進一步提高，但要使這種設計商業(yè)化，還需要進行根本性的改變，因為這是一種將激光能量轉換為熱X射線后，加熱含氘氚燃料靶球進而驅動內爆的間接驅動方法，靶球接受的能量少，效率低。”
激光慣性約束聚變還包括激光直接作用靶面的直接驅動方法和最近提出的混合驅動方式。后者充分利用間接和直接驅動優(yōu)點，克服了相應缺點。這兩種方法的激光利用率高，而NIF激光器結構只適用于間接驅動方法。
不過，賀賢土也指出，對于慣性約束聚變來說，除產(chǎn)生能源以外，目前更重要的是用于國家安全研究和高能量密度科學研究，后者為認識天體現(xiàn)象、高壓下材料特性以及新材料研究、先進的激光加速器等高技術研究等方面提供了十分重要的基礎。
其實，除了激光慣性約束核聚變，中國、歐盟自去年以來在磁約束核聚變領域也在不斷取得突破。ITER組織副總干事羅德隆介紹，中國HL-2M托卡馬克創(chuàng)造了等離子體電流超過100萬安培的運行紀錄，中國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒紀錄，歐盟JET項目實現(xiàn)在連續(xù)5秒的時間內產(chǎn)生59兆焦耳能量。“這些進展也堅定了全球對磁約束可控核聚變的信心。”羅德隆表示。
但是奇滕登也明確強調一點：聚變反應堆至少還有很多年才能投入使用，人類或許不能依靠這項技術來解決當前的氣候變化危機，在中短期內，清潔和豐富的能源只可能來自可再生能源。
談及核聚變的未來，羅德隆的判斷是，到本世紀中葉即有可能邁出聚變能源的第一步。當然，能發(fā)電和大規(guī)模的商業(yè)應用之間還有一定的距離，但能夠證明這條路線的可行性。“自人類最早提出托卡馬克核聚變裝置，到托卡馬克實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電，樂觀估計也需要整整一個世紀。一代又一代的科學家和工程技術人員全身投入其中，很多人無法看到核聚變商用的繁榮景象，但對未來的共同期待和愿景，對核聚變定能成功帶來無限清潔能源的信念，推動著人類向真正實現(xiàn)能源獨立不斷邁進。”羅德隆說。
來源：科技日報 記者 劉 霞 李宏策
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