
- 科学家设法产生比用于激活反应更多的能量
- 大约 192 束激光将胡椒粒大小的目标加热到超过 1.8 亿华氏度
- 产生能量所花费的时间比光传播一英寸所花费的时间还少
- 核聚变为太阳和恒星提供动力——对于相信这种清洁能源将取代化石燃料使用的科学家来说,
- 核聚变一直是他们的“圣杯”
美国能源部宣布了一项将载入史册的核聚变成就——标志着数十年来对利用为太阳和恒星提供动力的相同能量的探索。
科学家们通过在聚变中产生的能量多于用于激活它的能量,实现了“净能量增益”的圣杯。
他们于 12 月 5 日在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施 (NIF) 取得了突破,该设施设有一个体育场大小的实验室,配备了 192 台激光器。
该设施的负责人 Kim Budil 博士说,在实验中,高能激光会聚在一个胡椒粒大小的目标上,将氢胶囊加热到超过 1.8 亿华氏度,并“短暂地模拟了太阳的条件” .
能源部长詹妮弗格兰霍姆称这一突破为“里程碑式的成就”。
格兰霍姆说,利弗莫尔和其他国家实验室的科学家正在开展研究,以帮助美国“解决人类最复杂和紧迫的问题,例如提供清洁能源以应对气候变化,以及在不进行核试验的情况下维持核威慑力。”
核聚变是两个轻原子核结合形成一个较重的原子核,同时释放大量能量的过程。
就地球的太阳和太空中的恒星而言,原子核需要在极高的温度(超过一千万华氏度)下相互碰撞。
高温为原子核提供了足够的能量来克服它们之间的电斥力。
一旦原子核彼此之间的距离非常近,它们之间的吸引力核力将超过电排斥力并使它们融合。
为此,必须将原子核限制在一个小空间内以增加碰撞的机会。
科学家们第一次在核聚变中产生的能量超过了用于激活它的能量
能源部长詹妮弗格兰霍姆Jennifer Granholm(中)称这一突破为“里程碑式的成就”。她与进行开创性实验的科学家们一起
其巨大引力产生的极端压力为太阳核聚变创造了条件。
与裂变不同,聚变发生事故或原子材料被盗的风险较小。
当一个中子撞击一个较大的原子,迫使它激发并分裂成两个较小的原子时,就会发生核裂变。
这就是核电站中发生的事情。
但近 70 年来,核聚变一直是一项备受追捧的成就。
该团队从 1960 年代的研究人员那里汲取灵感,即理论上的激光可以在实验室中引发聚变。
这启动了长达数十年的开发这些激光器和光学、诊断、目标制造、计算机建模和仿真以及实验设计的工作。
实验中使用的激光可以产生类似于恒星和巨行星核心以及爆炸核武器内部的温度和压力。
该团队使用 2.1 兆焦耳的能量来创造反应条件,复制太阳的能量。
这导致了 3.15 兆焦耳的输出——增加了大约 150%。
格兰霍姆周二表示,“点火使我们能够首次复制某些只有在恒星和太阳中才能发现的条件。”
“这一里程碑使我们朝着为我们的社会提供动力的零碳丰富聚变能源的可能性迈出了重要的一步。”
她以“这就是美国领导的样子”作为现场简报的开场白。
虽然周二的声明是迈向清洁能源的一步,但科学家们并非对未来的工作视而不见。
Budil 说,在这项技术可以商业化之前,仍有“重大障碍”需要克服。
她补充说:“我认为它正在走向前台——并且可能通过共同努力和投资,对基础技术进行几十年的研究可以让我们有能力建造一座发电厂。”
净能量增益一直是科学家们的圣杯,因为聚变发生在非常难以控制的高温高压下。
数十亿美元和数十年的工作已经投入到聚变研究中,并产生了令人振奋的结果——只持续了几分之一秒。
罗彻斯特大学教授、激光聚变专家里卡多·贝蒂 (Riccardo Betti) 表示,在聚变反应中获得净能量这一事实意义重大。


NIF 的 192 束光束的所有能量都被引导到一个称为 hohlraum 的金圆柱体内,它大约有 10 美分硬币那么大。空腔内的一个小胶囊包含为点火过程提供燃料的氘原子(氢原子和一个中子)和氚原子(氢原子和两个中子)
但他表示,在产生可持续电力之前,还有很长的路要走。
他将这一突破比作人类第一次了解到将石油提炼成汽油并点燃它会产生爆炸。
“你仍然没有引擎,你仍然没有轮胎,”贝蒂说。 “你不能说你有车。”
白宫科学顾问 Arati Prabhakar 与 Granholm 一起出现,称聚变点火是“坚持不懈真正可以实现的巨大例子”和“令人难以置信的工程奇迹”。
聚变的支持者希望有一天它可以产生几乎无限的、无碳的能源,取代化石燃料和其他传统能源。
从聚变中生产为家庭和企业提供动力的能源还需要几十年的时间。但研究人员表示,这仍然是重要的一步。
宾夕法尼亚大学地球与环境科学系的迈克尔·曼 (Michael Mann) 在推特上表达了他对这一公告的怀疑。
他分享说,聚变突破还不足以消除对化石燃料的需求。
全世界的科学家都对来自美国的消息感到高兴,即无限清洁能源的“圣杯”近在咫尺。有史以来第一次,专家们从受控核聚变反应中获得的能量超过了他们投入的能量。图片是反应堆的工作原理,基于英国托卡马克能源公司 Tokamak Energy 开发的反应堆

图为实验中使用的胶囊。该团队使用能够制造核武器内部的激光

加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家(如图)使用 2.1 兆焦耳的能量为反应创造条件,该反应复制了为太阳提供动力的反应,并从中获得了 3 兆焦耳的能量
“这并不意味着这不是好消息,但它确实意味着它不会在本十年内将我们的经济脱碳 50% 方面发挥重要作用,这是避免灾难性 >1.5C (3F) 变暖所必需的,曼恩分享道。
“我们可以通过现有的可再生能源+存储/效率/保护来做到这一点。”
最终目标,还有几年的时间,是通过将氢原子彼此靠近以结合成氦来释放能量,从而产生能量,就像太阳产生热量一样。
一杯这种物质可以为一座中等大小的房屋供电数百年,而不会产生碳排放。
这就是为什么聚变被认为是当今世界对电力的需求不断增加和环境不断恶化的能源圣杯。
它合并原子核以产生大量能量——与原子武器和核电站中使用的裂变过程相反,裂变过程将它们分裂成碎片。
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