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人类“盗火”时刻:可控核聚变首次输出超过输入,聚变核电时代来临

人类“盗火”时刻:可控核聚变首次输出超过输入,聚变核电时代来临

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靠的是192支史上最强激光笔。
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文|杜晨  编辑|VickyXiao


在科技日新月异,创新和颠覆节奏越来越快的今天,你或许很难想象:一项技术的突破,居然要花费超过半个世纪的时间……

而在今天,美国政府就宣布了这样一项,用了整整七十年才实现的重大的技术突破。

上周一12月5日,美国科学家完成了历史上首次达到科学能量平衡的可控核聚变实验。

在这次实验中,团队使用高能激光射向一个燃料仓,点燃其中高压保存的燃料激光能量高达2.05兆焦,而核聚变产生了大约3.15兆焦的能量。
这意味着人类在可控核聚变实验中,首次首次超出了聚变阈值,实现了大于1的能量增益(也即聚变中产生的能量,比用于驱动它的激光能量更多)。

实验发生所在的 NIF 目标室。   图片来源:LLNL

更重要的是,这次实验首次证明了惯性约束聚变作为核聚变两大主流方案(另一个是磁约束,也即所谓的托克马克装置)之一的最根本科学基础。

所以,你可以将这次实验的成功,理解为惯性约束核聚变的“从0到1”。从此之后,更多来自公立和私营部门的资金、研究力量,可以更加大胆地进入惯性约束聚变方面的科研和投资求加速攻克更多的科研难关,短短的二十,甚至十年内,实现惯性约束聚变的可规模化。
美国能源部长 Jennifer Granholm 指出,这次实验的成功,是在核聚变研究,在核技术,在能源史上都极为重要的里程碑事件。

本次实验所在的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室主任 Kim Budil 博士则表示,“在实验室中实现聚变点火,是人类有史以来应对的最重要科学挑战之一。这次能够实现它,是我们在科学,在工程上的一次全人类的胜利。

而对于本次实验的成功,Budil 博士对高能激光所扮演的地位给予了幽默的评价:

“就像大家知道的那样,我们的实验室简称 LLNL,其实是‘Lasers, Lasers, Nothing but Lasers’ 的意思……”
LLNL 主任  Dr. Kim Budil   图片来源:能源部
白宫首席科学顾问 Arati Prabhakar 博士,更是感慨万千:

“在我19岁的时候,我就在这个实验室实习过,当时他们给了我一根‘激光笔’玩,那个夏天我过得非常充实。

后来我离开了这里,去做了其它更不值得一提的工作。但我的同事们,以及他们的后辈和后辈的后辈,却从未停止尝试……

他们获得过骄人的成绩,也历经了无数令人难以置信的挑战和痛苦——今天的我们都已经白了头发,但他们从未放弃这一目标,直到上周……我相信这是一个关于‘坚持’的最佳例证。”

图片来源:美国能源部

接下来,让我们来深入浅出地了解一下,这次意义无比重大的可控核聚变实验,这场长达60年的追逐,到底是怎么一回事。

| 发生了什么?

在上周一12月5日,在位于硅谷利弗莫尔 (Livermore, CA) 的美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 内部的国家点火装置 (NIF),进行了一次通过激光触发的惯性约束核聚变 (ICF) 点火实验。

为了实现聚变点火,科学家使用了总计192束高能激光,射向装有氘﹣氚(读作dāo-chuān)燃料球的环空器。

环空器 (hohlhraum) 是一种圆筒形器皿,头尾两端开孔,内壁涂有黄金等特殊涂层。在下图中,美国核安全局副局长 Marvin Adams 展示了实验所用的环空器(同款)。
注意,环空器其实并非他手中的“玻璃杯”,而是在里面装着的另一个小筒,大概只有手指指节的大小,如他的左手所示:

环空器   图片来源:LLNL


Marvin Adams 展示实验所用的环空器   图片来源:美国能源部
在 NIF 的实验中,科学家将燃料球装在环空器内并进行加压,然后通过环空器两端的孔洞射入激光,照射环空器的内壁。

特殊涂层被加热到大约300万℃的高温,发出强烈的 X 光束,进而照射在燃料上。

环空器内部工作原理。    图片来源:LLNL

燃料球的外层X光照射,生爆裂。反作用力会以震波的形式继续内部传播使得内部的氘﹣氚元素形成高压高温,产生自发性的燃烧,导致内爆(能量和物质快速对称地向内聚合),并连锁触发聚变反应。

至于为什么用激光照射内壁,而非直接轰击燃料前者产生的X光可以更加均匀地覆盖到燃料球的表面,使得表层的的爆裂更加均匀,从而时间更加一致,使得聚变反应的效率更高。效率越高,离正能量增益(大于1的能量增益)就越近。

——以上的过程,就是高能量惯性约束聚变的基本过程。它的用时极短,只有大约几十甚至上百万分之一秒。它的尺度也很小,毕竟燃料只有“一枚花椒粒”那么大。

但是,也正是在这个极短的过程中,这个环空器内,其实模拟了一颗微小的恒星。

燃料球和环空器。   图片来源:LLNL
| 为什么重要?

这样的实验,在  NIF 并非第一次进行。事实上,该实验室在过去已经进行过“无数次”可控聚变实验了。
然而本次实验的重要性在于:

就是聚变产生的能量,比触发聚变所消耗的科学能量更高。也就是说,用这种做法来产生能源,值了!
具体来说,实验总计使用了大约300兆焦的电能,聚焦到高能激光束的输出达到了2.05兆焦,而通过科学的观测手段取得的实验结果显示,瞬时聚变产生的能量达到了3.15兆焦。

产生的能量,除以激光输出的能量,结果大于一,这种情况在科学上称为“科学能源盈亏平衡” (scientific energy breakeven)。
图片来源:劳伦斯-利弗莫尔国家实验室

而在过去,无论是 NIF/LLNL,还是欧洲的公立研究机构,以及全世界各国各种各样的私营研究机构,进行的所有可控聚变实验,都从未实现过盈亏平衡——说白了,就是“为了发电,反而用了更多的电”。
美国知名科普作者、天体物理学家 Neil deGrasse Tyson 表示:

“你获得的能量比你投入的能量更多——我们终于来到了这一天。”

正如前面提到,核聚变是让氘﹣氚在高温高压环境下出现聚合反应,过程中释放出氦,而副产品则是以中子形态存在的天量能量。太阳就是一个氢核聚变的恒星。人类对这一产生能量方式的研究已经持续百年,更是通过核弹的引爆,早已掌握了具体融合原子使其聚变的技术。

然而问题是,人类在很长时间里一直无法控制聚变的反应。

核聚变研究从上世纪50年代就已经开始,但进展一直非常缓慢(以至于过去随便一点小成绩都值得大书特书)。在过去,最大的挑战是高温问题难以解决。

具体来说,科学家需要在实验室环境内创造出像太阳那样的极高温、高压的环境,才能让燃料加热到离子化产生聚变。然而一般容器无法应付如此高的温度,需要对容器和反应进行“约束”,放置离子溢出容器。

故而科学家们逐渐演化出了两种主流的方案:磁约束和惯性约束。本次 NIF 实验就属于后者。

环空器受到激光“加热”的图示。   图片来源:LLNL
除了对核聚变的可控之外,实现能量盈亏平衡则是另一大难题。

大家可能还记得,我们在前一小节提到,NIF 实验人员对激光照射反应逻辑和对环空器的设计,都是为了提高聚变反应的效率,让燃料球“内爆”的再快一点。

为什么要提高效率?因为如果效率能够超过某个阈值,就会出现一种极为特殊的情况:产生的能量超过输入的能量,也即实现大于1的能量增益(正能量增益)

这样的情况,在过去难以实现。科学家们花了整整70年,距离这个目标却一直非常远:比如在2013年10月15日,NIF 的某一次前序测试才勉强实现了0.0078的能量增益,比正能量增益的1/125还不如。

而在十年后,NIF 终于跨过了正能量增益这一里程碑:在不到10纳秒(1秒=十亿纳秒)的时间里,整个燃料完成了它的聚变反应,并实现了超过1的能量增益——当然是件非常值得令人兴奋的事情

“这注定将成为21世纪最令人印象深刻的科学壮举之一。”美国能源部长 Granholm 表示。

| 什么时候商业化?聚变核电站?

在本次事件中,大家主要要看的是能量产出3.15兆焦和能量输入2.05兆焦这两个数字之间的对比。但是,这并不意味着前面那个300兆焦的“插座用电”就不重要。

你可以这样理解:为了让这个“激光笔”启动,我们需要把它插到“插座”上,尽管“激光笔”照射目标用了两度电,“电表公司”却告诉我们实际上的电网流量是300度……

在科学上,我们应该聚焦于正能量增益这一决定性的事实。但是从实际应用,从商业化的角度,我们当然也要关注300兆焦——百倍耗电的问题。
LLNL  Budil 博士对此回应:我们的计算预测显示,可以通过规模化和合理安排激光装置的方式,来实现百倍增收,也即获得数百兆焦的能量产出。研究团队有一个理论路径去实现那样的未来,但距离它还非常非常的远。

“(即便考虑今天的成就,)我们仍然还有着许多非常巨大的难题没有解决。这些问题不只是科学上的,还有技术上的,”LLNL 主任 Budil 博士指出,“我们只是成功点火了一个燃料仓,就这么一次。”

而想要实现这一可控核聚变技术的商业化,还有很多问题需要解决。比如如何把这种单次的聚变,变成多次、可持续的聚变,今天的科学家还有许多要素并不具备。

我想距离那样的未来,可能还要数十年的时间,”,Budil 表示,“但是我想应该不是60年,也不是50年……我想,只要有各部门各界各行业的通力合作,对底层技术进行进一步研究和开发……可控核聚变发电站的落成,也许我们有生之年可以看到。”

环空器燃料仓   图片来源:能源部

能源部长 Granholm 则表示,目前拜登政府的能源政策和施政纲领中的确有提及对可控聚变核电站进行研究,但目前尚无新的进展可以分享。毫无疑问,通过清洁、安全、先进的核聚变方式进行发电是一个非常有价值的方向,不过目前远未达到可行性研究的阶段。

不过 Granholm 也强调,在可控核聚变发电技术方面,美国政府非常需要并且欢迎民间资本的介入:

在研究的前期,美国财政的研究支持对于取得今天这样的成绩尤为关键,但在之后我们要走的路上,需要公共研究和民间研究齐头并进。我们非常支持对这一领域感兴趣的民间资本,比如投资群体和创业公司,和我们一起努力在未来(几)十年内打造出可工作的可控核聚变发电站。

虽然这位能源部长更为乐观,一个需要明确的事实是:今天 NIF 的研究人员刚刚取得高于1倍的能源效益。

而在核聚变发电站的典型设计中,对磁约束方案的能源效益要求是至少30倍,惯性约束方案至少70倍;常规的裂变式核电站的能源效益更是极高,以美国为例,全国只有54座核电站、92枚反应堆,却供应了全国接近五分之一的电力。

未来的路的确很长。


| 为什么上周试验成功,这周才公布?

过去一周,NIF 的所有团队的成员都在非常辛苦地检查实验数据,对实验结果进行验证。

“你们会发现,当你点燃一个小燃料仓的时候,发生了一件很小但又很大的事情……但是与之相关的实验数据却并不‘小’,我们所有团队所有熟悉业务和数据的成员都需要来检查和验证这些数据,”Budil 博士表示,不仅内部人员参与,在得到了令他们惊讶的结果之后,他们还必须找了外部专家团队来进行独立验证。
正是这些极其繁琐、仔细、相互独立的数据验证工作,才能让科学家们确认,他们完成了一项长达70年都没有实现的关键使命,终于实现了那个让一代又一代物理学家、化学家、计算机科学家们前仆后继的“奇迹”。

“告诉大家发生了什么很重要,把事实和证据给大家看更重要。”


| 对磁约束有何意义?

Budil 博士指出,作为核聚变的两种主要实现技术方案,磁约束和惯性约束在一些数据分析检测方面有些共同点,但在技术原理和实验场景上还是有着本质的区别。

简单来说,磁约束聚变主要是低压低温的持续环境,而惯性约束是高能高压高温的瞬时环境——注意这里的持续和瞬时之间区别其实不大,可能无非也是几百纳秒和几纳秒之间的差异。两种技术方案的研究推进,对于未来人类实现通过可控核聚变进行发电都有着关键意义。

不过从现实情况来看,由于磁约束方案的研究时间更长,研究力量更多元化(国家、公/私),磁约束方面的核电站概念开发进度目前更“远”一些,距离落实可能更近一些。

| “激光,激光,全都是激光”

对于家住南湾/东湾的朋友来说,对 Livermore 的印象可能就是奥特莱斯。其实,美国最重要的一座大型公立研究实验室——劳伦斯-利弗莫尔国家实验室,也坐落于这里。


劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)落成于1952年,是美国冷战策略的产物,为了打造最先进的核武器、推进核科学和技术的研究和应用而建立。

不过到了今天,这个实验室已经发展出了一系列多元化的研究方向,包括军工武器和复杂融合、网络安全、物理、生物安全、反恐、超级计算等。
比如,美国西海岸最大的超算集群之一,就坐落于 LLNL。在超算历史上占有一席之地的 IBM 红杉超级电脑,因为属于美国国家核安全局高级仿真和计算机化的一部分,也受 LLNL 实验室的管理。

而承担了本次实验的“国家点火装置”(NIF) 和光粒子科学部门,正是整个 LLNL 旗下最重要和历史最悠久的部门,没有之一。

图片来源:NIF
图片来源:NIF

NIF 是整个美国最大规模、能量最强的激光系统。占地面积相当于一个美式橄榄球体育场,共有192套独立/可合作的激光束生成设施——所以这次实验,可以说是“火力全开了”。

这也是为什么 Budil 主任幽默地表示,LLNL 的全称其实是“Lasers, Lasers, Nothing but Lasers.”

“对于 NIF 的研究人员和工作人员来说,这是一个具有里程碑意义的成就。他们的一生致力于使得核聚变点火成为现实,这次实验无疑将激发更多的发现。”能源部长 Granholm 表示。


注:封面图来自于 LLNL,版权属于原作者。如果不同意使用,请尽快联系我们,我们会立即删除。


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