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2014 年 2 月 12 日發表在 Nature 上的美帝國家點火裝置 (NIF) 在可控核聚變上的新突破前景如何?

2018年12月08日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 2 ℃ 次

2014 年 2 月 12 日發表在 Nature 上的美帝國家點火裝置 (NIF) 在可控核聚變上的新突破前景如何?

【physixfan的回答(78票)】:

Nature於2014年2月12日發表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》宣佈NIF(美國國家點火裝置)用慣性約束聚變的方法首次實現了受控核聚變能量增益大於1的實驗,其意為聚變釋放出的能量大於輸入到靶丸的激光能量,實屬受控核聚變道路上的一個重大里程碑!

作為聚變方向的PhD,真心為這個消息感到激動人心,同時想稍微科普一下其中的知識,讓行業外的人也瞭解瞭解。

受控核聚變能源一直以來就是人類夢寐以求的終極能源。聚變能早在第一顆氫彈爆炸的時候就已經被人類所釋放,然而氫彈的本質卻決定了它無法作為可控的能源:氫彈爆炸的條件太苛刻,於是只能用原子彈來引爆,而原子彈想要爆炸,濃縮鈾的質量就必須大於一個臨界值,因此氫彈的爆炸是一定要一次性放出巨大能量的,破壞力實在太大,無法作為能源使用。因此,之後的幾十年裡,人們就一直在尋求讓聚變能每次少量釋放的途徑。然而,聚變點火的條件是,溫度、密度、約束時間這三個量的乘積需要大於一個數值(勞森判據),顯而易見的一點是,溫度密度越高就約難以約束,因此三者同時提高是一個極其困難的任務。

目前的主流解決方案有兩種:磁約束和慣性約束。

磁約束:聚變發生需要的溫度太高,大約需要一億攝氏度,所有實物材料都無法承受如此高溫來作為反應容器。但是,帶電粒子可以受磁場的作用而改變運動軌跡,因此人們設計了一種用磁場作為反應容器的裝置托卡馬克,一度是受控核聚變裡最接近點火的設計(現在被NIF超越了)。除了托卡馬克之外,還有球馬克等變種,都屬於磁約束。磁約束聚變裝置都像是生爐子,只不過爐子的壁是磁場而不是石頭罷了。一開始想點燃爐子裡的煤是很困難的,需要拿易燃的紙引燃,還要吹風,還不能吹太大的風,但是只要點火成功,之後爐子就可以保證持續燃燒了,只要按時往裡添煤就可以了。與此類似,磁約束在理想情況下,也是點火之後就可以持續釋放聚變能,然後自己維持溫度和約束,持續地釋放能量。當然,目前沒有成功點火過的裝置,但是根據推測,目前正在建造的ITER(完成日期還有好多年TT)是可以達到點火要求的,我們拭目以待。注意能量增益大於1並不意味著可以點火,因為只有一部分能量可以重新加熱反應中的等離子體,通常認為需要增益到10左右的時候才能夠點火。而如果一但點火成功,等離子體自持燃燒起來了,理想情況下只要不斷往裡添加燃料和排灰即可,此時的能量增益應為無窮大。

慣性約束:氫彈之所以不能受控地釋放能量,原因就在於他得讓原子彈引燃。那麼,如果不用原子彈,而用其他方式達到高溫高密,也許就可以可控的少量釋放聚變能了,慣性約束就是這個思路。慣性約束這個名字的意思是,即使氘氚溫度極高,也因為自身慣性的原因,並不會在極短的時間內就散開。最近這個突破性實驗的發生裝置NIF就屬於慣性約束。慣性約束聚變就像是爆竹,是一個一個的能量較小的小炸彈,只要每隔一段時間就點燃一個,然後把爆炸的能量想辦法收集,就可以是個好的能源。能量增益大於1的意思大概就是,爆竹爆炸釋放出的能量終於大於點火用的火柴的輸入能量了。但是與爆竹不同的是,點燃慣性約束聚變的靶丸可沒那麼容易,不僅僅需要功率極高的激光,而且對能量輸入的對稱性也要求極高。可以想像,如果對稱性稍差,那麼靶丸就會有的地方凸起有的地方凹陷,最後會變形散開,而不會一致的往裡壓縮進而形成高密度。對稱性的極高要求也就是為什麼慣性約束聚變不可以像磁約束那樣自持燃燒,聚變釋放的能量沒有那麼高的對稱性,不能用來點燃下一個靶丸,必須一個一個的用激光點燃靶丸才行。

群眾們對受控核聚變的認識,似乎是好幾十年了也做不出什麼來。有一種說法是:1950年代,科學家說,50年後人類就可以用上聚變能了;2000年代,科學家說,50年後人類就可以用上聚變能了;現在科學家仍然在說50年後就可以了。。。其實,受控核聚變在過去幾十年間的進展也是穩步提高的。實際上幾十年前就有磁約束的聚變能釋放出來,但是能量輸出還小於能量輸入。1997年JET裝置(托卡馬克)上實現了能量增益為0.7;1998年他們宣稱能量增益已經達到1.25,但是其實那是拿DD反應間接推算出來的並不是真正的DT聚變。而今NIF裝置實現了貨真價實的能量增益大於1。目前正在建設當中的ITER目標是能量增益為10。不僅如此,這幾十年間人們對聚變等離子體理論的認識也是進展巨大的,越來越小尺度的不穩定性開始被研究和理解,湍流如何被抑制,還有80年代偶然發現的高性能約束H Mode也逐漸被研究利用,等等。

不過,只是能量增益大於1,也還離人們真正能用上聚變能有很長的路要走。這裡能量增益的計算方式只是聚變釋放能量除以輸入到靶丸的激光能量,並沒有計算入射出的激光只有一小部分輸入到了靶丸裡,也沒有計算從電能到激光這之間的損耗,更沒有考慮從釋放出的聚變能(主要由中子攜帶)轉化成最終可以利用的電能這之間又一個巨大的損耗。因此實現真正利用聚變能路途依然遙遠啊...不過考慮到NIF半年時間內就把能量增益提高了一個數量級,似乎一切皆有可能呢..!我們既不應過分吹捧這一實驗結果,亦不可貶低其重要意義。

希望這一振奮人心的消息能燃起美國政府對聚變的希望,少砍掉一點聚變的經費吧...

//轉載自 physixfan.com/archives/

【尹璋琦的回答(23票)】:

我讀了讀原文,發現他們玩了個概念上的花招。論文的(5)式定義了傳遞給聚變反應的能量,他們說只要最終產生的能量超過它即為輸出能量大於輸入。可實際上,產生192束激光所需要的能量遠遠大於最終傳遞到反應中心的能量啊。實驗中傳遞到反應中心的能量(10kJ),比反應中心輸出的能量(大概14kJ)要小。可是要實現點火,所需要的光脈衝的能量已經到1.9MJ了,而產生光脈衝的所需要的電能估計還要再高兩個量級。真正的能量輸出大於輸入應該還有很遠的路要走。

【王剛的回答(0票)】:

怎麼說呢,研究成功了,用好了是人類的福音,用得不好則是人類的災難,水能載舟,亦能覆舟

標籤:-物理學 -能源 -核聚變 -核能 -清潔能源


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