核聚变反应能量增益首次实现!人类有望进入更高层次文明
物理界的Breaking News来了!
科学家首次在聚变反应中,实现了净能量增益——也就是说,聚变反应产生的能量,比注入的能量还多。
当地时间周二上午7点,美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL),共同官宣了这一里程碑式的成果。
现在,美国能源部官方账号的相关消息已经收获了4万+点赞和1.4万转发。
其实在美国能源部开直播前,就已有风声传出,然后迅速引来大波关注,在知乎上也引起了热议。
陈怡然教授还评价称:
这是个影响全人类的大新闻,让大家离人造太阳迈进了一大步。
说到“人造太阳”,实际从上世纪50年代起,科学家就开始想着试图模仿太阳产生能量的“套路”,即氢核聚变。
然鹅,核聚变过程本身也会消耗巨大的能量,我们却没有太阳那样巨大的引力。
迄今为止,没有任何其他研究者在核聚变反应中获得了净能量增益。
而就在12月5日,LLNL的一次新实验,却终于书写了历史的新篇章:
官方数据显示,LLNL这次输入的能量为2.05兆焦耳(MJ),在核聚变反应后的输出能量约为3.15兆焦耳。
也就是说,能量增益高达约150%。
怎么做到的?
据知情人士透露,LLNL的研究人员采用了一种名为惯性约束核聚变 (Inertial Confinement Fusion)的工艺。
所谓“惯性”,简单来说,就是在极短时间内对聚变反应中形成的等离子体增温增压,利用内部原子核自身的惯性,让它们在向四周膨胀逸散之前就克服彼此之间静电斥力,完成融合。
对了~关于什么是“惯性约束核聚变”,想要深入了解的友友们可以去看看量子位之前专门做的一期视频。
话说回来,现在的一大主流加热方式就是激光,在光束加热作用下,颗粒等目标容器会向外爆炸。
在爆炸过程中,除了容器表层,其余部分会产生反作用力,使其向内加速并压缩里面的燃料。
另外,这个过程还会产生大量冲击波,压缩并加热中心的燃料,从而促使核聚变发生。
目前,世界最强大的激光点火装置,是美国的国家点火设施(National Ignition Facility,NIF),已耗资约35亿美元(约合人民币244亿元)。
△图源:LLNL
而本次实验用到的激光装置,正是NIF。
研究人员用多达192道的激光束,照射处于辐射平衡态的腔体(hohlraum),也就是包裹着氘和氚,针头大小的球状颗粒。
通过激光作用,氘和氚的混合物形成了超热氢等离子体。
另外,在反应过程中,产生的X射线炸开了原来的粒子,燃料层内爆,为核聚变的发生创造了条件。
最终在NIF的加持下,这次实验产生了足够多的热量,并且这些热量在燃料中传播足够快,使得输出的能量超过了输入。
△图源:明报网
简单来说,原料部分质量转化成了能量——这个是符合质能守恒定律的,可以参考爱因斯坦提出的经典质能方程:E=mc²。
什么是核聚变?
要讲清楚这个问题,还得从什么是核聚变说起。
简单来说,核聚变是指由两个较轻的原子核,合成一个较重的原子核。
而核裂变则是指由一个重的原子核分裂成两个或多个较小的原子。
听到“核裂变”、“核聚变”,大伙儿一般会想到原子弹和氢弹。
其实除此之外,核裂变还已经被用来发电——听说过核电站吧?
在核电站中,利用核裂变反应产生的热量来加热水,然后水蒸汽会推动汽轮机,进而驱动发电机发电。不过,核裂变会产生大量辐射,放射性核废料的处理也一直让人头疼。
相比起来,核聚变反应几乎没有碳排放,产生的长效放射性废料也烧的多。从理论上讲,一小杯氢燃料就足以给一栋房子供电数百年。
还有,核聚变燃料储备量极为丰富——其主要燃料是氢的同位氘和氚。
之前的研究表明,海洋含有数亿吨的氘,如果当核聚变发电成真,仅一升的海水,就能产生相当于300升汽油的能量。
而氚虽然本身比较罕见,但能通过自然界中极为丰富的锂元素来反应获得,比较容易操作。
总而言之,核聚变供能具有特别香的BUFF:既清洁又几乎取之不尽。
对于LLNL的这项成果,英国国家统计局副局长Arthur Turrell感慨道:
这让科学家们几十年来的梦想终于成真了。
人们苦苦研究无碳清洁能源已有多时,该成果对于未来开发核聚变供能,有着重大意义。
一位科研工作者也表示:
这至少让我们能知道,人工可控核聚变增益大于一(Q>1)是件可以做成的事情。
虽然目前这项成果离商业化落地还相距甚远:真的有应用意义,至少Q要达到10以上;不过这仍然是一件振奋人心的事。
△图源:知乎@Quantum1024
还有网友甚至估算了核聚变发电商用时间:
如果速度能像之前核聚变领域其他实验那样,预计在2050左右就真的可以落地了。
△图源:知乎@树树
另外,据Nature报道,国际核聚变项目ITER的负责人Time Luce表示:
像这样有影响力的成果,还能吸引人们对各种类型的核聚变产生更多兴趣,投入更多精力去探索,对一般的核聚变研究也会产生积极影响。
意味着什么?
任何技术进步,最困难的是从0到1,这一过程通常来说,时间预期无法预测,但现在该实验走出了这一步。就目前而言,仅仅只是在反应堆中短暂的释放能量,但在技术创新领域,这是向下一个技术阶段,甚至是工业化,迈出了一大步。这一步就像是一群蜷缩在东非草原上的早期智人,在黑暗的冬夜,通过有计划的筹备,和对大自然规律的理解,在一个没有人记得的洞穴,点燃了人类史上第一把火。
参考链接:
[1]https://www.youtube.com/watch?v=Eke5PawU7rE
[2]https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition
[3]https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7
[4]https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/index.html
[5]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7?shareType=nongift
[6]https://www.theverge.com/2022/12/12/23505416/nuclear-fusion-scientific-breakthrough-how-to-watch-announcement-biden
[7]https://www.zhihu.com/question/571894946
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