揭秘国家点火设施:破纪录释放出10万亿瓦能量的核聚变实验

2022-01-27 13:56:57 知新了了
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一项破纪录的核聚变实验在瞬间释放出10万亿瓦的能量,现在,其背后的秘密已经被揭开:实验中使用的燃料舱内有一种“自加热”或“燃烧”的中子重氢等离子体

去年,北加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们宣布,国家点火设施(NIF)在100万亿分之一秒内释放了1.3兆焦耳的能量,创下了纪录。

国家核聚变研究所的科学家们表示,这一成就归功于世界上最强大的激光系统中心的微型腔体和燃料胶囊的精密工程,核聚变就是在这里发生的。

研究人员报告说,尽管燃料舱的直径只有大约1毫米(0.04英寸),而且聚变反应只持续了很短的时间,但它输出的能量大约相当于每一瞬间射向地球的太阳光的10%。

反应释放出这么多能量,是因为聚变过程本身将剩余的燃料加热成等离子体,温度足够高,可以进行进一步的聚变反应。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的物理学家安妮·克里彻(Annie Kritcher)解释道:“燃烧的等离子体是指聚变反应产生的热量成为等离子体中主要的加热源,超过了启动或启动聚变所需的热量。”

物理学家安妮·克里彻是1月26日发表在自然物理杂志上的一项研究的主要作者,该研究描述了 NIF 是如何优化以实现燃烧等离子体的,他也是同一天发表在《自然》杂志上的另一项研究的合著者,该研究详细介绍了 NIF 在2020年和2021年初进行的第一次燃烧等离子体实验。

罐子里的星星

核聚变是为太阳等恒星提供能量的过程。它不同于核裂变,核裂变是地球上的发电厂通过将重原子核(比如钚)分裂成更小的原子核来产生能量的。

当原子核被“融合” —— 也就是结合在一起 —— 成为更大的原子核时,核聚变会释放出大量的能量。

最简单的核聚变以氢为燃料,研究人员希望有朝一日,利用地球海洋中丰富的氢,核聚变能够发展成一种相对“清洁”的能源。

由于恒星非常大,它们的强大引力意味着聚变反应发生在非常高的压力下。但在地球上,这样的压力是不可行的,因此聚变反应必须在非常高的温度下进行。

根据吕萨克定律(Gay-Lussac's law),在一定体积内,气体温度升高,压力也随之升高,反之亦然。

为此,不同的实验人员提出了不同的方法来保持高温下的聚变反应,美国国家点火装置(National Ignition Facility)专门研究一种称为“惯性约束”的方法。

它通过使用192个高能激光器撞击中心的一个小氢球来产生高温,这些激光器本身消耗大量的能量,大约每天只能发射一次。

惯性约束方法是用于测试热核武器的先驱,它距离成为一种可行的电源还有很长的路要走,这样的电源必须每秒蒸发几个这样的燃料颗粒,才能有足够大的能量输出来产生有用的电力。

但是,NIF最近在实现异常高的能源产出方面取得了成功,即使只是很短的时间。8月份的实验接近从燃料球中产生的能量与投入其中的能量一样多,研究人员预计未来的实验将更加强大。

惯性约束

这两项新研究描述了在10万亿瓦反应前几个月进行的燃烧等离子体实验;那些早期的实验最终从一个只有200微克(0.000007 盎司)的氢燃料颗粒中产生了 170 千焦的能量 —— 大约是任何早期实验能量输出的三倍。

它是通过仔细塑造燃料胶囊和腔体来实现的,燃料胶囊是一个由聚碳酸酯金刚石制成的微小球形外壳,包裹着球团;而腔体是一个由贫铀(放射性不高)制成的小圆柱体,内衬着金,被称为空腔。

新的设计允许加热小球的 NIF 激光器在空腔内更有效地工作,当燃料小球“内爆”时,热壳迅速向外膨胀 —— 结果燃料在如此高的温度下融合,将小球的其他部分加热成等离子体。

物理学家亚历克斯·齐尔斯特拉(Alex Zylstra)表示:“这是重要的一步,因为相对于我们投入的能量,它是通过核聚变产生大量能量的必要步骤。”亚历克斯·齐尔斯特拉领导了最初的燃烧等离子体实验,也是《自然》杂志关于这些实验的主要作者。

他说,尽管在惯性约束聚变作为一种能源之前还需要更多的科学里程碑,但实现等离子体“燃烧”这一步将使科学家们对这一过程了解得更多。

物理学家亚历克斯·齐尔斯特拉表示:“在 NIF 燃烧的等离子体现在处于一种新的状态,我们可以在那里科学地研究这些条件。”

这一突破将使人们对核聚变有更好的了解,这种核聚变可以用于其他类型的核聚变反应 —— 比如托卡马克核聚变反应 —— 而不仅仅是通过惯性约束核聚变实现的反应。

研究人员最后表示:“这项工作很重要,因为它提供了一种新的等离子体物理机制,这将为整个核聚变领域提供丰富的理解。”

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