聚变点火成为现实; 劳伦斯实验室实现能源收支平衡

科学物理聚变点火成为现实; 劳伦斯实验室实现能源收支平衡

劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家们已经实现了聚变点火和能量收支平衡。 5日th 2022年192月,研究团队利用激光进行了可控聚变实验,2束激光束向低温靶室中的一个微小燃料芯块输送了超过8万焦耳的紫外能量,实现了能量收支平衡,这意味着聚变实验产生的能量比由激光器提供来驱动它。 经过数十年的努力,这一突破在历史上首次实现。 这是科学上的一个里程碑,对未来清洁聚变能源走向净零碳经济、应对气候变化和维持核威慑而不诉诸于国防核试验具有重要意义。 早些时候,XNUMXth2021 年 5 月,研究团队已达到聚变点火的门槛。 该实验产生的能量比以往任何其他聚变实验都要多,但并未实现能量收支平衡。 XNUMX日进行的最新实验th 2022 年 XNUMX 月实现了能源收支平衡的壮举,从而提供了可以利用受控核聚变来满足能源需求的概念验证,尽管 实际的商业聚变能应用可能还很遥远。

根据质能对称方程 E=MC,核反应产生的能量相当于质量损失量爱因斯坦。 涉及核燃料(放射性元素,如铀 235)核分解的裂变反应目前在核反应堆中用于发电。 然而,基于核裂变的反应堆对人类和环境具有很高的风险,这在切尔诺贝利事件中显而易见,并且因产生危险的放射性废物而臭名昭著,这些废物的半衰期非常长,极难处理。

在自然界中,像我们的太阳这样的恒星,涉及合并较小的氢原子核的核聚变是能量产生的机制。 与核裂变不同,核聚变需要极高的温度和压力才能使原子核合并。 这种极端高温和高压的要求在太阳核心得到满足,氢核聚变是产生能量的关键机制,但到目前为止,在受控实验室条件下在地球上重现这些极端条件是不可能的,因此,核聚变反应堆尚未成为现实。 (通过触发裂变装置产生的极端温度和压力下的不受控制的热核聚变是氢武器背后的原理)。

早在 1926 年,亚瑟·爱丁顿 (Arthur Eddington) 就首先提出,恒星从氢聚变成氦中吸取能量。 核聚变的第一次直接演示是在 1934 年的实验室中,当时卢瑟福展示了氘融合成氦,并观察到在此过程中“产生了巨大的影响”。 鉴于其提供无限清洁能源的巨大潜力,世界各地的科学家和工程师齐心协力在地球上复制核聚变,但这一直是一项艰巨的任务。

在极端温度下,电子与原子核分离,原子变成由正原子核和负电子组成的电离气体,我们称之为等离子体,其密度比空气低百万分之一。 这使得融合环境非常脆弱。 要在这样的环境中发生核聚变(可以产生可观的能量),应满足三个条件; 应该有非常高的温度(可能引发高能碰撞),应该有足够的等离子体密度(以增加碰撞的可能性)并且等离子体(具有膨胀的倾向)应该被限制足够长的时间以启用融合。 这使得遏制和控制热等离子体的基础设施和技术的发展成为重点。 强磁场可用于处理等离子体,就像 ITER 的托卡马克一样。 等离子体的惯性约束是另一种方法,其中使用高能激光束使充满重氢同位素的胶囊内爆。

在 NIF 的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 进行的聚变研究采用了激光驱动的内爆技术(惯性约束聚变)。 基本上,填充有氘和氚的毫米大小的胶囊用产生 X 射线的高功率激光进行内爆。 胶囊被加热并变成等离子体。 当胶囊中的燃料(氘和氚原子)融合时,等离子体向内加速产生极端压力和温度条件,释放能量和包括阿尔法粒子在内的多种粒子。 释放的粒子与周围的等离子体相互作用并进一步加热,导致更多的聚变反应并释放更多的“能量和粒子”,从而建立一个自我维持的聚变反应链(称为“聚变点火”)。

几十年来,聚变研究界一直在努力实现“聚变点火”; 自持聚变反应。 8日th 2021 年 5 月,劳伦斯实验室团队在 XNUMX 日达到了“聚变点火”的门槛th 2022 年 XNUMX 月。在这一天,地球上的受控聚变点火成为现实 - 达到了科学的里程碑!

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