核聚变“里程碑” 却只够“洗个热水澡”？

发布时间：2024-02-08 20:03:23 819次浏览来源：中国科学报

“我们经过反复验证，这样的结果并不是昙花一现。”2月5日，美国科学家在《物理评论快报》《自然—物理学》等杂志发表一系列论文，证实劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的聚变反应堆产出了近两倍于输入的能量。

2022年12月，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布，其聚变反应堆首次释放出比投入更多的能量，成为聚变反应的里程碑事件。

相关数据在今年2月5日的论文中得到证实：当时发射了一个2.05兆焦耳的激光脉冲，产生3.15兆焦耳的能量。在之后的试验中，能量输出输入比再次提高，在2023年9月4日达到1.9倍。

不过，业内专家对该技术的商业化前景似乎并不乐观。新科学家网站在报道中称，这么小的能量输出远达不到商业运行的要求，只够“洗个热水澡”。

近日，美国聚变反应堆产出了近两倍于输入的能量。图片来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

是否突破盈亏平衡点存争议

目前人类使用的核电站都是依赖于裂变反应，分裂铀等重原子核以释放能量和更小的粒子。聚变则相反，将氘和氚等较轻的原子核聚在一起形成更重的氦原子核，同时释放能量。聚变的优势是不产生放射性核废料，但其实现可能还需要“永远的50年”。

几十年来，科学家们一直在努力达到产生这种反应所需的1亿摄氏度或更高的温度，采取的方式有几种。

国际热核聚变实验堆（ITER）和中国的“人造小太阳”（EAST）均采用磁约束，即使用具有强磁性的大型托卡马克装置来稳定和加热等离子体燃料。

相比之下，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施（NIF）聚变装置更为迷你，采用激光惯性约束的方法，使用强激光束来压缩和加热胡椒粒大小的氘和氚燃料胶囊，直到其核心的压力和温度能够引爆聚变燃烧。该实验于2011年开始。

不过劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Richard Town指出，NIF的主要工作是为美国核武器计划提供关键研究。例如，将核弹的电子设备和有效载荷暴露在聚变反应发生时的中子轰击下，以检查它们在核战争中能否正常运行。

“直到上世纪90年代，激光惯性约束核聚变这一概念都是机密。”Town表示，NIF从未被当成原型反应堆建设，也没有被优化以提高产量。

2022年达到盈亏平衡点的消息似乎为核聚变电站的发展提供了希望。

不过是否真的实现盈亏平衡还存在争议。

《科学》网站指出，3.15兆焦耳仅相当于三支炸药的能量，而产生激光脉冲却要消耗150倍能量。

新科学家网站则在报道中称，“激光器消耗了500万亿瓦，比整个美国国家电网的输出还要多，因此该实验只是狭义地突破了所谓的盈亏平衡”。

业内专家同样不乐观。英国伯明翰大学的Martin Freer表示，随着科学实验的进展，还是有可能实现聚变的，但从科学角度来看，面临的挑战相当严峻。

英国曼彻斯特大学的Aneeqa Khan反对将此次科学进展解读为人类摆脱化石能源依赖的可能方案。她强调，核聚变实现商业化可能还需要几十年的时间，且前提是加强全球合作和人才培养。

激光技术有待升级

要从实验室发展到商业规模，首先要解决的就是规模放大。Town表示，如果升级激光器，有可能得到10倍产出比。“更大的‘锤子’总是有帮助的，”他说。

该实验使用的激光器来源于美国罗切斯特大学激光能量学实验室的OMEGA激光系统。

《科学》网站认为，利用激光产生聚变能的方法相对更简单，有望更具成本效益，但前提是它可以扩大规模。主要挑战在于，必须将燃料压缩成完美的球形对称，任何缺陷都会导致燃料不可预测地膨胀，从而降低核心温度。

为了保证实验中的对称性，NIF用橡皮擦大小的黄金圆柱包围燃料胶囊，再用192束激光光束从各个方向进行加热，达到一定温度后，圆柱体会发射x射线轰击燃料胶囊。由于X射线的平滑效果，胶囊外壳会均匀地蒸发，然后像火箭发动机一样向外爆炸，并对称地向内挤压燃料。

不过，对于一个千兆瓦的发电厂来说，这项技术可能过于昂贵，每天将消耗近100万个黄金圆柱和燃料胶囊。

更简单的方法是去掉圆柱，将激光束直接照射到燃料胶囊上使其蒸发。这就要求罗彻斯特大学提供更高质量的激光束——能量均匀地分布在波前上，以完美对称的方式会聚。

2月5日，罗彻斯特大学激光能量学实验室在《自然—物理学》的论文中报告，他们调整了太空舱的设计，在聚合物外壳中添加硅以提高能量吸收，实验数据最好的一次是利用2.15兆焦耳的脉冲产生1.6兆焦耳能量。虽然没实现能量增益，但确实会使等离子体燃烧。

卢瑟福-阿普尔顿实验室的Robbie Scott认为，这是一个好消息，因为去掉圆柱体用激光直接驱动的效率将是以前的5倍。

据报道，几家初创公司已经计划将该技术商业化。罗彻斯特大学激光能量学实验室最近也接连获得多项美国能源部、美国国家科学基金会等机构的经费支持。

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