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February 18, 2014

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人类首次实现能量增益大于1的受控核聚变

作者: physixfan

Nature于2014年2月12日发表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》宣布NIF(美国国家点火装置)用惯性约束聚变的方法首次实现了受控核聚变能量增益大于1的实验,其意为聚变释放出的能量大于输入到靶丸的激光能量,实属受控核聚变道路上的一个重大里程碑!

作为聚变方向的PhD,真心为这个消息感到激动人心,同时想稍微科普一下其中的知识,让行业外的人也了解了解。

受控核聚变能源一直以来就是人类梦寐以求的终极能源。聚变能早在第一颗氢弹爆炸的时候就已经被人类所释放,然而氢弹的本质却决定了它无法作为可控的能源:氢弹爆炸的条件太苛刻,于是只能用原子弹来引爆,而原子弹想要爆炸,浓缩铀的质量就必须大于一个临界值,因此氢弹的爆炸是一定要一次性放出巨大能量的,破坏力实在太大,无法作为能源使用。因此,之后的几十年里,人们就一直在寻求让聚变能每次少量释放的途径。然而,聚变点火的条件是,温度、密度、约束时间这三个量的乘积需要大于一个数值(劳森判据),显而易见的一点是,温度密度越高就约难以约束,因此三者同时提高是一个极其困难的任务。

目前的主流解决方案有两种:磁约束和惯性约束。

磁约束:聚变发生需要的温度太高,大约需要一亿摄氏度,所有实物材料都无法承受如此高温来作为反应容器。但是,带电粒子可以受磁场的作用而改变运动轨迹,因此人们设计了一种用磁场作为反应容器的装置托卡马克,一度是受控核聚变里最接近点火的设计(现在被NIF超越了)。除了托卡马克之外,还有球马克等变种,都属于磁约束。磁约束聚变装置都像是生炉子,只不过炉子的壁是磁场而不是石头罢了。一开始想点燃炉子里的煤是很困难的,需要拿易燃的纸引燃,还要吹风,还不能吹太大的风,但是只要点火成功,之后炉子就可以保证持续燃烧了,只要按时往里添煤就可以了。与此类似,磁约束在理想情况下,也是点火之后就可以持续释放聚变能,然后自己维持温度和约束,持续地释放能量。当然,目前没有成功点火过的装置,但是根据推测,目前正在建造的ITER(完成日期还有好多年TT)是可以达到点火要求的,我们拭目以待。注意能量增益大于1并不意味着可以点火,因为只有一部分能量可以重新加热反应中的等离子体,通常认为需要增益到10左右的时候才能够点火。而如果一但点火成功,等离子体自持燃烧起来了,理想情况下只要不断往里添加燃料和排灰即可,此时的能量增益应为无穷大。

tokamak_en

惯性约束:氢弹之所以不能受控地释放能量,原因就在于他得让原子弹引燃。那么,如果不用原子弹,而用其他方式达到高温高密,也许就可以可控的少量释放聚变能了,惯性约束就是这个思路。惯性约束这个名字的意思是,即使氘氚温度极高,也因为自身惯性的原因,并不会在极短的时间内就散开。最近这个突破性实验的发生装置NIF就属于惯性约束。惯性约束聚变就像是爆竹,是一个一个的能量较小的小炸弹,只要每隔一段时间就点燃一个,然后把爆炸的能量想办法收集,就可以是个好的能源。能量增益大于1的意思大概就是,爆竹爆炸释放出的能量终于大于点火用的火柴的输入能量了。但是与爆竹不同的是,点燃惯性约束聚变的靶丸可没那么容易,不仅仅需要功率极高的激光,而且对能量输入的对称性也要求极高。可以想象,如果对称性稍差,那么靶丸就会有的地方凸起有的地方凹陷,最后会变形散开,而不会一致的往里压缩进而形成高密度。对称性的极高要求也就是为什么惯性约束聚变不可以像磁约束那样自持燃烧,聚变释放的能量没有那么高的对称性,不能用来点燃下一个靶丸,必须一个一个的用激光点燃靶丸才行。

target_capsule_ill

 

群众们对受控核聚变的认识,似乎是好几十年了也做不出什么来。有一种说法是:1950年代,科学家说,50年后人类就可以用上聚变能了;2000年代,科学家说,50年后人类就可以用上聚变能了;现在科学家仍然在说50年后就可以了。。。其实,受控核聚变在过去几十年间的进展也是稳步提高的。实际上几十年前就有磁约束的聚变能释放出来,但是能量输出还小于能量输入。1997年JET装置(托卡马克)上实现了能量增益为0.7;1998年JT-60宣称能量增益已经达到1.25,但是其实那是拿DD反应间接推算出来的并不是真正的DT聚变。而今NIF装置实现了货真价实的能量增益大于1。目前正在建设当中的ITER目标是能量增益为10。不仅如此,这几十年间人们对聚变等离子体理论的认识也是进展巨大的,越来越小尺度的不稳定性开始被研究和理解,湍流如何被抑制,还有80年代偶然发现的高性能约束H Mode也逐渐被研究利用,等等。

不过,只是能量增益大于1,也还离人们真正能用上聚变能有很长的路要走。这里能量增益的计算方式只是聚变释放能量除以输入到靶丸的激光能量,并没有计算入射出的激光只有一小部分输入到了靶丸里,也没有计算从电能到激光这之间的损耗,更没有考虑从释放出的聚变能(主要由中子携带)转化成最终可以利用的电能这之间又一个巨大的损耗。因此实现真正利用聚变能路途依然遥远啊...不过考虑到NIF半年时间内就把能量增益提高了一个数量级,似乎一切皆有可能呢..!我们既不应过分吹捧这一实验结果,亦不可贬低其重要意义。

希望这一振奋人心的消息能燃起美国政府对聚变的希望,少砍掉一点聚变的经费吧...

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11 Comments Post a comment
  1. Feb 19 2014

    能量增益该怎么理解呢?按永动机理论这是不可能的吧。

    Reply
    • 认同度
      Feb 20 2014

      是输出的除以输入的 文中以爆竹的例子 火柴的能量是输入 爆竹爆炸是输出 增益来自于爆竹这个物体本身所含有的能量永动机理论应该是针对一个封闭系统 如果把火柴和爆竹作为一个系统考虑的话 能量还是在减少的

      Reply
  2. Feb 22 2014

    受控核聚变实现的时间距现在是一个物理学常数~~

    Reply
    • Feb 23 2014

      狄拉克不是提出了一个物理常数也在随时间变化的“大数定律”么

      Reply
  3. pia
    Mar 11 2014

    这个博客居然还有更新……

    Reply
  4. Mar 16 2014

    人类梦想

    Reply
  5. 好吧
    Mar 26 2014

    楼主提到的两种形式的聚变,第一种磁约束聚变,作为科学岛该项目顾问的张永德老师提到这是不可能实现的。第二种ICF,NIF的装置确实激动人心,技术上也是 一直有突破,不管有多少里程碑的事件发生,个人以为也仅限于做一些实验,到商用发电的阶段几十年内是不行的。国内的进展就更慢,神光系列距离NIF的差距只是越来越大。

    Reply
  6. zhouleyu
    Apr 30 2014

    人类梦想

    Reply
  7. shaobo
    Aug 14 2014

    ted上看到一老外自己搞核能发电,还融资了几千万,尼玛,有前途啊

    Reply

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