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超过1.3MJ!首次接近达到触发核聚变中的“点火”阶段

时间:2021/8/23 22:55:21 点击:

  核心提示: 来源:原理 我们在地球上之所以能看到阳光、感受到温暖,都是源自于发生在太阳核心的核聚变。核聚变指的是当原子合并在一起时,释放出巨大能量的过程,这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下,源源不断地提供绿...

来源:原理

我们在地球上之所以能看到阳光、感受到温暖,都是源自于发生在太阳核心的核聚变核聚变指的是当原子合并在一起时,释放出巨大能量的过程,这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下,源源不断地提供绿色能源。出于这样的原因,一直以来,物理学家都希望能够在地球上建造这样一个“迷你太阳”。然而在实验室里实现核聚变是非常困难的事,一个重大的挑战就是“点火”。


我们的太阳。|图片来源:NASA

“点火”指的是聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻。具体来说,在聚变反应堆中,一旦达到合适的条件,聚变反应就会释放出一些粒子,其中包括阿尔法粒子,这些粒子会与周围的等离子体发生相互作用,进一步加热等离子体,加热后的等离子体会释放出更多的阿尔法粒子,以此类推,形成一个能够自我维持的反应。

然而,尽管相关的研究已经持续了数十年,但这样的过程之前未完全实现过,我们仍处于能量“入不敷出”的情况——需要耗费更多的能量才能使聚变反应进行并维持下去。

2021年8月8日,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的国家点火装置(NIF)进行了一项新的实验。NIF的科学家团队重现了存在于太阳核心的极端温度和压力,次接近达到触发核聚变中的“点火”(ignition)的阶段,朝着在地球上实现核聚变的目标迈进了一大步。

NIF采用一种被称为惯性约束聚变的受控热核聚变方法。这是一种利用激光对氢燃料丸(核聚变反应的燃料)进行压缩,使氢聚变成更重的元素(比如氦)并释放出大量能量的过程。NIF使用了一台巨大的激光器,这个激光器被装载在一个有着三个足球场大的设备中,能够产生192束激光束。

这些激光束在20纳秒的时间内,以短暂、强大的脉冲聚焦在一个小小的燃料丸上,其目的是将尽可能多的能量注入到燃料丸中。燃料丸中充满了氢的重同位素——氘和氚,这些同位素更容易聚变并产生更多的能量,它们会被加热和加压到与太阳核心条件接近的情况。

充满了氘和氚的小球体被装在一个橡皮擦大小的金圆柱体容器内。当黄金蒸发,产生X射线脉冲,燃料丸就会爆聚(implosion),使核聚变燃料成为一个高温的、致密的小球,足以点燃核聚变。


国家点火装置的192束激光束进入一个橡皮擦大小的金圆柱体,从内部加热产生X射线,然后在其中心使燃料舱爆聚,产生核聚变。|图片来源:LLNL

早期,NIF每次只能产生约1千焦的能量。通过改进实验装置,去年他们成功地产生了100千焦的能量。其中主要的改进工作包括消除一些微型碰撞和燃料丸表面的坑,减少燃料丸上的用于注入燃料的孔的大小,减少金属圆柱形容器上的孔隙从而让更少的能量逃逸,并延长激光脉冲的时间从而让驱动燃料的时间变得更长。

在今年早些时候,NIF团队通过以各种方式结合这些改进,创下了好几次超过100千焦的记录,其中一次达到了170千焦。这个结果表明,NIF最终创造出了一个“燃烧的等离子体”,聚变反应本身为更多的聚变提供了热量。

最后,在最新的实验中,一个惊人的记录产生了。NIF的强大的激光脉冲(1.9兆焦)引发了燃料丸的核聚变爆炸产生了超过1.3兆焦的能量——这是该设备自建成以来所产生的最高能量的8倍,它达到了触发它的激光脉冲的能量的70%,成为了最接近“点火”的实验。

2021年8月8日,NIF的一项实验突破记录,接近了聚变的点火阶段,实现了1.3兆焦以上的能量产率。|图片来源:John Jett / LLNL

2021年8月8日,NIF的一项实验突破记录,接近了聚变的点火阶段,实现了1.3兆焦以上的能量产率。|图片来源:John Jett / LLNL

这一能量对所有人来说都是一个惊喜,它比之前的任何惯性约束聚变实验所产生的能量都高。研究人员认为,这样的结果为今后产生比更多能量的反应铺平了道路,它证明了“点火”并非是不可能的。

虽然,NIF的最新实验所需的能量输入仍然比能量输出更多,但它是首个疑似达到关键的“点火”阶段的实验,是非常令人兴奋的突破。它证明了少量的能量,少量的质量爆聚,就可以实现核聚变。这样的结果鼓舞了这一领域进行了多年尝试的物理学家们,他们相信接下来还将抵达更多的更高能量里程碑。

这一结果是惯性约束聚变研究向前迈出的历史性一步,NIF的激光创造了地球上最极端的条件。他们在试图完美复制太阳中心的条件,使物理学家能够研究过去在实验室中无法创造的物质状态,比如在恒星和超新星中发现的物质。这将有助于物理学家探索宇宙中的一些最极端状态的条件,比如大爆炸后几分钟的情况。

在最新实验中,有几个改进同时被调整了。目前,研究人员还尚不清楚究竟哪些改进导致了发挥了最大的作用,这需要进行更长一段时间的研究才可能弄清楚。

作者:不详 来源:网络
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