今晚,见证历史!人类或首次实现,可控核聚变“重大科学突破”

2022-12-13 来源:创事记 原文链接:点击获取

新智元报道  

编辑:编辑部

【新智元导读】美国LLNL实验室首次实现核聚变反应的净能量增益,‘人造太阳’或将成真了。

爆炸性消息!史上首次,人类实现了核聚变反应的净能量增益。

净功率增益,即产生的聚变功率与用于加热等离子体的功率之比率。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL),从一个实验性核聚变反应堆中,让核聚变反应产生的能量多于了这一过程中消耗的能量。

这就意味着,人类朝人造太阳的目标,又近了一步。

而化石燃料和传统核能,或将退出历史的舞台!

核聚变反应净能量增益,意味着什么

‘核聚变’究竟是什么呢?

简单地说,就是两个轻原子核结合成一个较重的原子核,并释放出巨大能量的过程。

我们都知道,万物生长靠太阳,太阳是地球上一切生命的源泉,那太阳的能量来自于哪里呢?

就是核聚变。

在这个热核反应中,两个氢原子碰撞并聚合成氦原子,氦的质量比原来的氢原子略小。

因此,根据爱因斯坦标志性的E=mc²质能方程,这个质量差会转化为能量爆发出来。

在太阳的核心,每秒都在发生6.2亿吨氢的核聚变

这种能量,使我们人类得以生存。

理论上,只要有几克氘(重氢)和氚(超重氢)的混合反应物,就有可能产生一太(万亿)焦耳的能量,这大约是发达国家的一个人60年内所需的能量。

既然核聚变能产生如此大的能量,那我们人类能不能自己DIY这个过程,造出个‘人造太阳’?

没错,科学家们早就开始这么想了。

自从人类开启了和平利用核能的研究,如何在可控的条件下利用核聚变反应产生的能量,一直是人类的终极目标(而目前的核电站,原理是核裂变反应)。

但是,利用核聚变最大的难题之一是,核聚变过程本身也会消耗巨大的能量,该如何让核聚变反应释放出的能量大于输入的能量,而且让这个过程可持续呢?

从上世纪50年代以来,无数的物理学家就一直希望从核聚变反应中产生比消耗更多的能量。

如果攻克了这个最大的难题,人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源,彻底改变未来的能源路线图。

也就是说,到了那时,就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体,不再有危险、长效的放射性废物——人类将得到真正意义上的‘清洁能源’!

而现在看起来,这个难题的第一步已经被解决了。

据英国《金融时报》报道,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)从一个实验性核聚变反应堆中实现了‘净能量增益’,让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。

据消息人士透露,这次反应产生的能量是消耗能量的120%,至少有两名研究人员证实了这一消息。

一位资深核聚变科学家对《华盛顿邮报》表示:‘对我们大多数人来说,这只是一个时间问题。’

此次核聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量,大约是激光器中2.1兆焦耳能量的120%,目前具体数据仍在进一步分析中。

美国能源部和LLNL发言人均表示,目前无法评论《金融时报》的报道,不过美国能源部长Jennifer Granholm表示,将在今天晚些时候宣布一项‘重大科学突破’。

核聚变专家亚瑟·特瑞尔(Arthur Turrell)博士表示,‘如果这个结果得到最终证实,我们将见证一个历史性的时刻。’

四次复现全部失败,人类科技被智子锁死?

其实,之前的科学家们,就曾见证过这一奇迹。

2021年8月,LLNL曾宣布了一项重大突破:破纪录地产生了超过10万亿瓦的高能聚变能量——虽然时长只有一秒不到。

装置将最初的光子脉冲放大并分成192道紫外线激光束后,在不到40亿分之一秒的时间内以大约1.9兆焦耳的能量击中目标(装着冷冻的氘和氚),创造出只有在恒星和热核弹中才能见到的温度和压力。

面对如此强大的脉冲能量,原子核会因核聚变释放出一连串的粒子,并由此产生更多的聚变和更多的粒子,从而形成持续的聚变反应。

根据定义,当聚变反应产生的能量超过其消耗的能量时,就能成功‘点火’。

而在8月的试验中,通过核聚变反应产生的能量,已经占到了输入能量的70%,可以说非常接近点火了。

然而,在接下来进行的4次试验中,都未能复现当时的结果。

其中效果最好的一次,也只达到了8月份实验所产生能量的50%。

对此,研究人员分析认为,由于目前正处于聚变‘点火’的临界点附近,所以不同实验间微小、偶然的差异都会对结果造成巨大影响。

从重复实验的失败中不难看出,研究人员在很长一段时间内,仍然无法精准理解、操纵和预测这类高能实验。

甚至知友‘氯甲烷’调侃称:‘我觉得人类科技可能真的被智子锁死了’。

复刻核聚变为何如此之难?

为什么人类想要复刻核聚变,会这么难呢?

这就要从核聚变反应的条件说起。

核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。

等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体,具有不同于固体、液体和气体的独特性质。

从左至右:固体,液体,气体,等离子体

为了实现聚变,原子核需要在超过1000万摄氏度的极高温度下相互碰撞,以使它们能够克服相互间的电排斥力。

一旦原子核克服了这种排斥力,并进入彼此非常接近的范围,它们之间的核力吸引力将超过电排斥力,从而使它们能够实现聚变。

要做到这一点,众多原子核必须被约束在一个小空间内,以增加碰撞的机会。

在太阳中,存在巨大的引力,而这种引力所产生的极端压力,正为核聚变的发生创造了条件。

在太阳内部,氢原子被加热到等离子体状态,电子不再围绕质子旋转,然后释放的原子核聚变形成氦原子和中子,释放出巨大能量

然而,太阳中有着能够诱发核聚变的巨大引力,我们人类却没有这样的自然条件。

在地球上,要想使氘和氚发生聚变,就需要超过1亿摄氏度的温度和强大的压力,还需要充分的约束,才能使等离子体和聚变反应保持足够长的时间。

现在,我们人类的实验中已经非常接近核聚变反应堆所需的条件,但仍需改进约束性能和等离子体的稳定性。

来自50多个国家的科学家们,在不断试验新材料,设计新技术。

不过,就像我们在上文所看到的,许多实验已实现聚变,但并未实现净功率增益。

而这次突破,是否意味着我们就要用上纯粹的清洁能源了呢?其实并没有。

首先,即使单纯从数据上看,120%的能量净增比例仍然是远远不够的。据科学家估计,如果要将核聚变技术落地实用,能量输出必须至少比进入的激光器的能量高出几倍才有可能。

而且,这次实验中的NIF的激光器效率极低,也就是说,实验中供给激光器的能量中,只有很小一部分实际进入了激光束中,实际参与了激发核聚变的反应中,大部分能量都被浪费掉了。

按照这种转换效率,即使未来的激光器(比如固态激光器)能够进一步提升转换效率,但距离100%的核聚变应用,仍然是很遥远的事情。

但是至少,我们实现了从0到1的一步。

我国新一代‘人造太阳’再次取得进展

建人造太阳的,不止是美国的科学家。

早在20世纪50年代,我国也开始了可控核聚变的研究。

与LLNL采用的‘惯性约束聚变’方法不同,迄今为止大多数核聚变研究都采用名为‘托卡马克’的圆环形反应堆。

它的原理是:在反应堆内,将氢气加热到足够高的温度,让电子从氢原子核中剥离,形成等离子体(带正电的核和带负电的电子云)。磁场将等离子体困在圆环形状的装置内,将原子核融合在一起,以中子的形式释放出能量向外飞去。

2020年12月4日,由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代‘人造太阳’建成并实现了首次放电。

2022年10月,相关研究再次取得重大进展——HL-2M等离子体电流突破100万安培(1兆安)。

这不仅创造了我国可控核聚变装置运行新纪录,也标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。

HL-2M是我国目前规模最大、参数最高的托卡马克装置。

其核心参数是等离子体电流强度,而等离子体电流达到100万安培(1兆安)是其实现聚变能源的必要条件,未来托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行。

此次突破意味着该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行,这对我国自主设计运行聚变堆具有重要意义。

总结一下

据悉,对于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的这次实验的重大公告,美国能源部预计将在美国太平洋时间周二上午7点,也就是北京时间的今晚23点左右进行直播。

人类历史会被永远改变吗?十小时后见分晓!

参考资料:

https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7

https://www.washingtonpost.com/climate-solutions/2022/12/12/nuclear-fusion-breakthrough-benefits/

https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1

https://www.163.com/dy/article/HF5BLDSD0511F2M4.html