国家点火设施的聚变反应产生了创纪录的1.3兆焦的聚变能,释放出的能量首次超过燃料胶囊吸收的能量。
核聚变反应堆如果完全实现,将有可能为世界提供几乎无限的清洁能源。不幸的是,这种潜力距离实现还有很长的路要走。然而,加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的黛比·卡拉汉(Debbie Callahan)在最近的APS等离子体物理部门年会上宣布,研究人员首次触发了“点火”——一种产生的能量大于接收的能量的聚变反应,因此可以自行燃烧。
LLNL的国家点火装置(NIF)实验使商业聚变能反应堆离现实又近了一步。它也是在恶劣条件下学习材料的平台。论文将提交给LLNL的科学家进行同行评审。
惯性约束核聚变是通过压缩一个毫米大小的胶囊产生的,胶囊中装有氘和氚的热核燃料组合。胶囊被高能激光器产生的x射线加热,将其转化为等离子体。这种等离子体向内加速,就像一颗正在坍缩的恒星,将太空舱中的氘-氚燃料压缩成一个温度超过1亿摄氏度、压力超过地球大气压力1000亿倍的小球体。在这种条件下,燃料保险丝中的氢原子会释放能量。
这些聚变过程必须是自我持续的,以足够加热等离子体,在商业聚变反应堆中诱发更多的聚变事件。根据伦敦帝国理工学院等离子体物理学家杰里米·奇滕登的说法,这种自我维持的情况基本上就是点火的意义所在。然而,“很难直接确定燃料内部发生了什么,”他解释道。
在今年8月之前,没有任何工厂达到这一点火阈值。8月8日,一个更新的实验产生了1.3兆焦耳的能量,大约是NIF之前记录的8倍。因为它产生的能量低于该设施192束激光束产生的1.9兆焦耳,早期的报告将这一成就称为“点火的边缘”。然而,许多核聚变专家认为,这样的立场过于保守。
奇滕登说:“就大多数在该领域工作的人而言,点火过程的科学论证确实已经实现了。”
现在的问题是,是什么导致了产出的显著增加?最近的一次试验测试了各种设备、燃料和技术的进步。据研究人员称,这是精心工作的产物,包括胶囊的设计,更好的激光精度,新的诊断仪器,以及加快胶囊内爆速度的设计调整,将更多的能量转移到发生核聚变的等离子热点。
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National laboratory)主任托马斯·梅森(Thomas Mason)说:“在实验室获得对热核燃烧的实验访问权,是几十年来近50年科技工作的成果。”
“这使得实验能够比以往任何时候都更严格地检验高能量密度体系中的理论和模拟,并将使应用科学和工程取得根本性成就。”
那么,商业核聚变反应堆即将问世了吗?卡拉汉并不这么认为,他将这一进展描述为“在漫长的道路上迈出的重要一步”。要创造一个商业上可行的核聚变反应堆,反应产生的能量必须远远超过反应堆运行所需的能量。
1.9 MJ激光输入需要约400 MJ的电力。而且很大一部分激光能量在到达氢燃料之前就已经丢失了。在胶囊周围被称为空腔的金属圆筒中会发生重大损失。空腔将激光转换成x射线,x射线将激光能量输送到燃料中。然而,由于空腔壁的加热,大量的输入能量被浪费了。NIF的短期目标是减少在“空洞”中浪费的能源。
核聚变研究人员也在寻找由于新的实验环境的实现而开辟的新的研究路线。
卡拉汉说:“这是一个非常令人兴奋的时刻,致力于这个课题。”“我们的领域确实处于一个前所未有的境地。”