騙子?美國核聚變實驗,輸出只有輸入能量0.5%,到底是不是真的?

天空之城 2022/12/15 檢舉 我要評論

加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的美國科學家有史以來第一次成功地產生了核聚變反應,從而產生了凈能量增益,這個消息讓一直進展緩慢的核聚變領域為之一振,各大媒體紛紛開始了報道,稱這將是歷史性的進展,或將開啟未來的「無限能源」時代。

但筆者不得不潑一盆冷水,利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置是慣性約束核聚變,這個裝置確實是最有可能實現核聚變的點火方式之一,但要實現發電難度卻相當大,不過這個點火方式成功,或將問人類開啟宇宙大航海時代的大門!

利弗莫爾國家實驗室:核聚變反應成功報道

據SMC發表的報道,加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的美國科學家有史以來第一次成功地產生了凈能量增益的核聚變反應!科學技術設施委員會 (STFC) 中央激光設施 (CLF) 等離子體物理組的 Robbie Scott 博士表示:

「聚變有可能提供近乎無限、安全、清潔、無碳負荷的清潔能源。國家點火裝置的這一開創性成果是聚變「能量增益」的首次實驗室演示——輸出的聚變能量多于激光束輸入的能量。

不可低估這對于激光聚變研究來說是一個多麼巨大的突破。更重要的是,它為激光慣性聚變能源的快速發展鋪平了道路——激光聚變發電。

英國中央激光設施 [CLF] 主任 John Collier 教授表示:

「幾十年來,CLF的 Vulcan 激光器一直是激光聚變研究的主力軍,來自英國大學和國際的團隊進行了開創性的研究,以增進我們對支撐激光聚變的等離子體物理學的理解。CLF還是開發高效激光器的領導者,未來將需要通過激光聚變產生能量。

估計大家這些報道都云里霧里,這實驗的意義那麼大,到底是怎麼實現的?難度真有那麼高嗎?

核聚變時代:兩種方式,究竟哪種更有前途?

大家對上文中的「國家點火」裝置應該很好奇,確實有「核聚變點火」的這個說法,而核聚變其實不止是利弗莫爾國家實驗室的這種激光點火方式,還有一種磁場中聚變的的方式,這兩種方式可以歸納為如下:

1、磁約束核聚變; 2、慣性約束核聚變;

這兩種方式都是目前全球科學家正在全力突破的方向,但路線卻大不相同,甚至大相徑庭,下文就對這兩種方式做個簡單介紹,看完大家就能知道這個原理是什麼、難度如何、目前的進度怎樣,未來的應用層面又是怎樣。

核聚究竟是怎麼發生的?

很多科普文中介紹的核聚變都將其形容為太陽的力量,但事實上太陽上發生的核聚變和人類目前在突破的核聚變完全不是一回事,下面打算幾句話把這個區別說清楚:

1、氫有三種同位素,分別是氕、氘、氚, 2、太陽上發生的過程是氕氕變成氘,再氕氘聚變; 3、人類目前在突破的是氘氚聚變;

上圖為太陽上發生的質子鏈反應過程,其原理是在極端的超高溫和超高壓條件下,氫的同位素質子聚合到一起生成一個新的原子核,而在生成新原子核過程中,其質量大約會少一丟丟(大約在0.7%)左右,而丟失的這部分質量就會通過質能公式轉換為能量!

不要以為這個能量很少,只要產生1g的質量虧損就大約相當于2萬噸TNT爆炸的能量,而這大約需要100g氘氚物質聚變,威力之大難以想象,如果無法理解的話試著理解下氫彈為什麼會有那麼大威力即可。

受控核聚變是怎麼實現的?磁約束還是慣性約束?

核聚變需要超高溫與超高壓的環境,因為只有在這樣才能讓原子核靠得更近從而形成聚變條件,在氫彈中是利用原子彈爆炸形成的X射線在外殼材料的反射聚焦下對氘氚物質進行壓縮,從而達到聚變條件。

但要是受控的核聚變堆中肯定不能這樣操作,畢竟原子彈一引爆,所有的結構都被摧毀了!所以天才的科學家在核聚變發展道路上有兩種思路來解決這個非常麻煩的問題:

第一個方法:利用磁場約束高溫等離子體

這個原理是將氘氚氣體加熱到等離子狀態,此時的離子流是帶電的,然后再用強大的磁場控制這個離子流,并且對其不斷加熱,直至其發生聚變反應,整個反應室被抽成真空,在磁場的控制下不接觸內壁,隔絕高溫。

氘氚持續反應后的氦氣從一側被引出,而另一側則引入高溫的氘氚等離子體進入等離子流繼續聚變反應,聚變后的高溫通過輻射被反應室內壁吸收用來加熱介質,可以是中間傳熱物質或者直接加熱水,產生蒸汽通過管道推動蒸汽輪機再帶動發電機源源不斷的輸出電能。

ITER:國際熱核聚變裝置

這就是理想的聚變「反應爐」的工作過程,它的典型結構就是各位熟悉的托卡馬克,這是天才的前蘇聯科學家想出來的結構,經過半個多世紀的改良,目前的全球35個國家的科學家在法國南部夜以繼日突破的ITER的基本結構也是托卡馬克結構。

從2007年成立以來一直到現在還在折騰,各位從中也可以了解到,磁約束核聚變難度不是一般的高,主要問題集中在超高溫等離子體的穩定約束時間這個難題上,因為在極端高溫下的等離子體其電動力學性能相當復雜,很容易就會突破磁場的約束從而破裂,輕則約束失敗,重則內壁被燒一個大洞,導致裝置重大毀損事故。

這是其中一個線圈

為了產生這個強大的控制磁場,ITER中產生磁場的線圈使用了超導材料,2019年界面新聞曾報道中國向國際熱核聚變實驗堆(ITER)的交付的首個大型超導磁體線圈——重達400噸的極向場6號線圈成功,當然ITER遠不止一個線圈。中國承擔的任務除了線圈中國還想ITER交付了內腔耐高溫的第一壁。

ITER的目標是將等離子體加熱到10億度并維持超過500秒的時間,此時這些等離子體將會發生核聚變并產生大約500MW的能量,當然到現在為止它還沒開機呢,目前正在加緊建設中,預計到2025年將會首次開機測試等離子體控制,到2035年才會開始氘氚聚變實驗。

各國進展:中國實力雄厚

除了國際熱核聚變裝置ITER外,實力比較強的多國也在各自單干,比如中國就有全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST),目前的最高紀錄是電流1兆安、等離子體1.6億度、穩定約束1056秒。

韓國大田研究基地國家聚變研究所的超導托卡馬克核聚變裝置KSTAR在2021年11月25日達到了等離子體在1億度的條件下穩定約束30秒。

第二個方法:激光加熱致熱核聚變

與磁場約束超高溫等離子體相比,激光致熱核聚變的方式顯然更為暴力與直接,而全球最大且最知名的裝置要數美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置(NIF),這個裝置的中心是一粒直徑4.4毫米的靶標,中心則是一個更小的含有氘氚氣體的「膠囊」。

而在它的周圍是以一個設計了192束、總功率高達500太瓦的激光,在1微微秒內擊中靶丸,中心包裹的氘氚氣體在瞬間將被「點燃」聚變,看著是不是很容易?事實上這個結構可復雜了,因為直接用激光加熱靶丸的效果并不好,需要將激光倍頻轉換成紫外波段。

NIF 的基本布局

這個倍頻在到達靶丸前的倍頻轉換器中完成,由磷酸二氫鉀單晶切割而成的薄片(約1厘米厚)制造,1053納米的紅外激光穿過第一張薄片時會被轉換成527納米(綠色)激光,通過第二張薄片時將轉大部分527納米和剩余的1053納米激光轉換成351納米(UV:紫外) 激光。轉換效率約為50%略少一些,4MJ的能量抵達靶丸時只剩下1.8MJ。

在12月12日公布的消息中,輸入的1.8MJ能量大約輸出了2.5MJ的能量,取得了輸出大于輸入的好成績,確實不容易:

1、2013年9月28日的點火中,靶丸聚變發射產生了 5×10^15個中子,清楚地觀察到阿爾法加熱過程,該反應已達到「科學收支平衡」,折合能量為10~14KJ,Q值為0.008; 2、2018年的點火測試中,1.5MJ的激光能量輸入,輸出了0.054KJ,Q值為0.036; 3、2021年8月8日,1.8 MJ的能量輸入,輸出了1.3 MJ的能量,Q值為0.72; 4、2022年12月11日,輸入1.8MJ能量,輸出約2.5MJ,這是國家點火裝置自2012年射出第一束激光以來第一得到Q值大于1的試驗。

Q值就是聚變能量增益因子(Fusion energy gain factor),用符號Q表示,是核聚變反應所產生能量與維持反應器等離子體穩態的輸入裝置能量之比。 當Q = 1 ,聚變反應所釋放的功率等于維持反應所需的加熱功率時, 稱為收支平衡。

當然Q值不能只大于1,而且要遠遠大于1,各位知道為什麼嗎?原因很簡單,因為NIF產生這4MJ的激光,其輸入能量高達422MJ,而據Science Media Centre網站上的報道,輸入能量加上損耗等后還高達500MJ,估計這就讓大家傻眼了吧,假如要打個比方的話,就是啟動一台噴氣式飛機的發動機并讓打開加力,結果卻點了一根煙。

這個真正的Q值為0.005,當然我們也不能就此一棍子打死,畢竟與輸入的激光束相比還是取得了大于1的Q值,至少還是開啟了希望。

宇宙大航海時代:慣性約束或更有前途

與磁約束核聚變很容易將能量導出并用來加熱介質不一樣,慣性約束核聚變裝置很難將能量導出是個非常麻煩的問題,不過它卻能開啟一項前所未有的技術,用核聚變產生的高能量粒子直接推進飛船前進。

這個有點像使用核彈爆炸推進的核動力獵戶座計劃,這個推進原理是向飛船后方拋出一枚小型核彈和一個塑料飛盤,此時引爆核彈,高溫直接將塑料飛盤蒸發并撞擊在飛船尾部的緩沖推進艙上產生推力,盡管這個推進效能很低,但最終將在1000年內抵達半人馬座阿爾法星。

核聚變顯然要比丟核彈要靠譜得多,另外同樣質量聚變是產生的能量是裂變的10倍左右,燃料攜帶量也可以減少,如果聚變的高能粒子轟擊擋板推進飛船前進,那麼將變成《三體》中的恒星級飛船,只要攜帶氫同位素燃料即可完成星際航行。

而磁約束核聚變在這方面則相對比較難,可能需要借助「工質」的方式,這就額外增加了飛船的質量,也許慣性約束更適合星際航行。

延伸閱讀:氚很難取得

聚變用的材料是氘氚,氘是重水,很容易取得,量大管足,但氚就不好找了,這個取得很難,價格不是一般的高,不過有一個辦法,可以讓聚變生產氚并以此維持。

原理不復雜,氘氚聚變會多余一個不受磁場控制運動方向的中子,正常情況下,這個中子會擊打在核聚變反應爐內壁,也就是第一壁上導致材料「嬗變」,也就是吸收了一個中子后的原子核會變成放射性材料,甚至變成另外一種材料,這讓科學家很苦惱。

但中子也能讓鋰-6吸收一個中子后產生一個氦-4原子核和氚原子核,所以氚不就生產出來了?從理論上來看,一個氚原子核和氘原子核聚變后產生一個中子可以產生一個氚原子,剛好形成自持,但實際效率可能沒那麼高,因為中子不受控制,無法四面八方布置鋰-6靶標,因此需要適當補充些氚燃料,但慣性約束似乎不能這樣操作。

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