美国科学家宣布了一项他们所谓的重大突破，实现了长期难以实现的从核聚变中产生能量的目标。
美国能源部于 13 年 2022 月 XNUMX 日表示，科学家们在经过数十年的尝试后，首次成功地从这一过程中获得了比他们必须投入的更多的能量。
但发展到底有多重要？ 聚变提供丰富、清洁能源的长期追求梦想还有多远？ 卡罗琳·库兰兹曾在刚刚打破聚变记录的设施工作过的密歇根大学核工程副教授，帮助解释了这一新结果。
聚变室里发生了什么？
聚变 是一种核反应，结合两个原子以产生一个或多个总质量稍小的新原子。 正如爱因斯坦著名的方程式 E = mc 所描述的那样，质量差以能量形式释放2 ，其中能量等于质量乘以光速的平方。 由于光速是巨大的，因此仅将极少量的质量转化为能量——就像聚变中发生的那样——会产生同样巨大的能量。
美国政府的研究人员 国家点火设施 加利福尼亚州首次展示了所谓的“聚变点火”。 点火是指聚变反应产生的能量多于从外部源输入反应的能量，并变得自我维持。
国家点火装置使用的技术涉及在一个 0.04 英寸（1 毫米）燃料颗粒 由氘和氚（氢元素的两种版本，带有额外的中子）制成，放置在一个金罐中。 当激光击中罐子时，它们会产生 X 射线，将燃料芯块加热并压缩到铅密度的 20 倍左右，并达到超过 5 万华氏度（3 万摄氏度）——大约是燃料表面温度的 100 倍太阳。 如果你能保持这些条件足够长的时间， 燃料会融合并释放能量.
在实验过程中，燃料和罐在十亿分之一秒内蒸发。 然后研究人员希望他们的设备能经受住高温并准确测量聚变反应释放的能量。
那么他们完成了什么？
为了评估聚变实验的成功与否，物理学家会观察聚变过程中释放的能量与激光中的能量之间的比率。 这个比例是 称为增益.
任何高于 XNUMX 的增益都意味着聚变过程释放的能量多于激光发射的能量。
5 年 2022 月 15 日，国家点火装置用 XNUMX 万焦耳的激光能量发射了一个燃料颗粒——大约是吹风机运行 XNUMX 分钟所需的能量——所有能量都包含在十亿分之一秒内。 这引发了聚变反应 释放了三百万焦耳. 这是大约 1.5 的增益，打破了之前的增益记录 该设施在 0.7 年 2021 月实现了 XNUMX.
这个结果有多大意义？
聚变能 一直是能源生产的“圣杯” 近半个世纪. 我相信，虽然 1.5 的增益是一项真正具有历史意义的科学突破，但要使聚变成为一种可行的能源，还有很长的路要走。
虽然 2 万焦耳的激光能量小于 3 万焦耳的聚变产率，但它几乎占用了设施 300亿焦耳用于生产激光 在这个实验中使用。 这一结果表明聚变点火是可能的，但要将效率提高到聚变可以提供净正能量回报的地步，同时考虑到整个端到端系统，而不仅仅是一个激光和燃料之间的单一相互作用。
需要改进什么？
几十年来，科学家们一直在稳步改进聚变拼图的许多部分，以产生这一结果，进一步的工作可以使这一过程更加高效。
首先，激光只是 在1960发明. 当美国政府 2009年完成国家点火装置建设，它是世界上最强大的激光设施，能够提供 一百万焦耳的能量到达目标. 它今天产生的 50 万焦耳的能量是当时的 XNUMX 倍 地球上下一个最强大的激光. 更强大的激光器和产生这些强大激光器的能量密集度更低的方法可以大大提高系统的整体效率。
融合条件是 很难维持和任何 胶囊或燃料中的小瑕疵 会增加能量需求并降低效率。 科学家们已经取得了很大的进步 更有效地将能量从激光器传输到碳罐 和 从碳罐到燃料舱的 X 射线辐射, 但目前只有约 10 30％ 总激光能量的一部分被转移到碳罐和燃料中。
最后，虽然燃料的一部分，氘，自然是 海水中含有丰富的元素，而氚则更为稀有. 聚变本身实际上产生 氚，因此研究人员希望开发出直接收获这种氚的方法。 与此同时，有 可用于生产所需燃料的其他方法.
在聚变为您的家庭发电之前，需要克服这些和其他科学、技术和工程障碍。 还需要努力将聚变电厂的成本从 3.5亿美元的国家点火装置. 这些步骤将需要联邦政府和私营企业的大量投资。
值得注意的是，围绕核聚变展开了一场全球竞赛，世界上还有许多其他实验室 追求不同的技术. 但是随着国家点火装置的新结果，世界第一次看到证据表明 融合的梦想是可以实现的.
图片来源： 美国能源部/劳伦斯利弗莫尔国家实验室
