在科技日新月異,創新和颠覆節奏越來越快的今天,你或許很難想象:一項技術的突破,居然要花費超過半個世紀的時間 ……
而在今天,美國政府就宣布了這樣一項,用了整整七十年才實現的重大的技術突破。
上周一 12 月 5 日,美國科學家完成了曆史上首次達到科學能量平衡的可控核聚變實驗。
在這次實驗中,團隊使用高能激光射向一個燃料倉,點燃其中高壓保存的燃料球。激光能量高達2.05 兆焦,而核聚變産生了大約3.15 兆焦的能量。
這意味着人類在可控核聚變實驗中,首次首次超出了聚變阈值,實現了大于 1 的能量增益(也即從聚變中産生的能量,比用于驅動它的激光能量更多)。
實驗發生所在的 NIF 目标室。圖片來源:LLNL
更重要的是,這次實驗首次證明了慣性約束聚變作為核聚變兩大主流方案(另一個是磁約束,也即所謂的托克馬克裝置)之一的最根本科學基礎。
所以,你可以将這次實驗的成功,理解為慣性約束核聚變的 " 從 0 到 1"。從此之後,更多來自公立和私營部門的資金、 研究力量 ,可以更加大膽地進入 慣性約 束聚變方面的 科研和投資 , 謀 求加速攻克更多的科研難關, 在 短短的二十,甚至十年 内, 實現 慣性約束聚變的 可規模化。
美國能源部長 Jennifer Granholm 指出,這次實驗的成功,是在核聚變研究,在核技術,在能源史上都極為重要的裡程碑事件。
本次實驗所在的勞倫斯 - 利弗莫爾國家實驗室主任 Kim Budil 博士則表示, " 在實驗室中實現聚變點火,是人類有史以來應對的最重要科學挑戰之一。 這次能夠實現它,是我們在科學,在工程上的一次全人類的勝利。 "
而對于本次實驗的成功,Budil 博士對高能激光所扮演的地位給予了幽默的評價:
" 就像大家知道的那樣,我們的實驗室簡稱 LLNL,其實是‘ Lasers, Lasers, Nothing but Lasers ’ 的意思 ……"
LLNL 主任 Dr. Kim Budil 圖片來源:能源部
白宮首席科學顧問 Arati Prabhakar 博士,更是感慨萬千:
" 在我 19 歲的時候,我就在這個實驗室實習過,當時他們給了我一根‘激光筆’玩,那個夏天我過得非常充實。
後來我離開了這裡,去做了其它更不值得一提的工作。但我的同事們,以及他們的後輩和後輩的後輩,卻從未停止嘗試 ……
他們獲得過驕人的成績,也曆經了無數令人難以置信的挑戰和痛苦——今天的我們都已經白了頭發,但他們從未放棄這一目标,直到上周 …… 我相信這是一個關于‘堅持’的最佳例證。"
圖片來源:美國能源部
接下來,讓我們來深入淺出地了解一下,這次意義無比重大的可控核聚變實驗,這場長達 60 年的追逐,到底是怎麼一回事。
| 發生了什麼?
在上周一 12 月 5 日,在位于矽谷利弗莫爾 ( Livermore, CA ) 的美國勞倫斯 - 利弗莫爾國家實驗室 ( LLNL ) 内部的國家點火裝置 ( NIF ) ,進行了一次通過激光觸發的慣性約束核聚變 ( ICF ) 點火實驗。
為了實現聚變點火,科學家使用了總計 192 束高能激光,射向裝有氘﹣氚(讀作 d ā o-chu ā n)燃料球的環空器。
環空器 ( hohlhraum ) 是一種圓筒形器皿,頭尾兩端開孔,内壁塗有黃金等特殊塗層。 在下圖中, 美國核安全局副局長 Marvin Adams 展 示了實驗所用的環空器(同款)。
注意,環空器其實并非他手中的 " 玻璃杯 ",而是在裡面裝着的另一個小筒,大概隻有手指指節的大小,如他的左手所示:
環空器圖片來源:LLNL
Marvin Adams 展示實驗所用的環空器圖片來源:美國能源部
在 NIF 的實驗中,科學家将燃料球裝在環空器内并進行加壓,然後通過環空器兩端的孔洞射入激光,照射環空器的内壁。
特殊塗層被加熱到大約 300 萬℃的高溫, 發出強烈的 X 光束 ,進而照射在燃料球上。
環空器内部工作原理。圖片來源:LLNL
燃料球的 外層 被 X 光照射, 産 生爆裂。 其 反作用力 會以震波的形式繼續 向 内部 傳播 , 使得 内部的 氘﹣氚元素形成高壓高溫,産生自發性的燃燒,導緻内爆(能量和物質快速對稱地向内聚合),并連鎖觸發聚變反應。
至于為什麼用激光照射内壁,而非直接轟擊燃料球:前者産生的 X 光可以更加均勻地覆蓋到燃料球的表面,使得表層的的爆裂更加均勻,從而時間更加一緻,使得聚變反應的效率更高。效率越高,離正能量增益(大于 1 的能量增益)就越近。
——以上的過程,就是高能量慣性約束聚變的基本過程。它的用時極短,隻有大約幾十甚至上百萬分之一秒。它的尺度也很小,畢竟燃料球隻有 " 一枚花椒粒 " 那麼大。
但是,也正是在這個極短的過程中,這個環空器内,其實模拟了一顆微小的恒星。
燃料球和環空器。圖片來源: LLNL
| 為什麼重要?
這樣 的實驗,在 NIF 并非第一次進行。事實上,該實驗室在過去已經進行過 " 無數次 " 可控聚變實驗了。
然而本次實驗的重要性在于:
就是聚變産生的能量,比觸發聚變所消耗的科學能量更高。也就是說,用這種做法來産生能源,值了!
具體來說,實驗總計使用了大約 300 兆焦的電能 ,聚焦到高能激光束的輸出達到了2.05 兆焦,而通過科學的觀測手段取得的實驗結果顯示,瞬時聚變産生的能量達到了3.15 兆焦。
産生的能量,除以激光輸出的能量,結果大于一,這種情況在科學上稱為 " 科學能源盈虧平衡 " ( scientific energy breakeven ) 。
圖片來源:勞倫斯 - 利弗莫爾國家實驗室
而在過去,無論是 NIF/LLNL,還是歐洲的公立研究機構,以及全世界各國各種各樣的私營研究機構,進行的所有可控聚變實驗,都從未實現過盈虧平衡——說白了,就是 " 為了發電,反而用了更多的電 "。
美國知名科普作者、天體物理學家 Neil deGrasse Tyson 表示:
" 你獲得的能量比你投入的能量更多——我們終于來到了這一天。"
正如前面提到,核聚變是讓氘﹣氚在高溫高壓環境下出現聚合反應,過程中釋放出氦,而副産品則是以中子形态存在的天量能量。太陽就是一個氫核聚變的恒星。 人類對這一産生能量方式的研究已經持續百年,更是通過核彈的引爆,早已掌握了具體融合原子使其聚變的技術。
然而問題是,人類在很長時間裡一直無法控制聚變的反應。
核聚變研究從上世紀 50 年代就已經開始,但進展一直非常緩慢(以至于過去随便一點小成績都值得大書特書)。在過去,最大的挑戰是高溫問題難以解決。
具體來說,科學家需要在實驗室環境内創造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環境,才能讓燃料加熱到離子化産生聚變。然而一般容器無法應付如此高的溫度,需要對容器和反應進行 " 約束 ",放置離子溢出容器。
故而科學家們逐漸演化出了兩種主流的方案:磁約束和慣性約束。本次 NIF 實驗就屬于後者。
環空器受到激光 " 加熱 " 的圖示。圖片來源:LLNL
除了對核聚變的可控之外,實現能量盈虧平衡則是另一大難題。
大家可能還記得,我們在前一小節提到,NIF 實驗人員對激光照射反應邏輯和對環空器的設計,都是為了提高聚變反應的效率,讓燃料球 " 内爆 " 的再快一點。
為什麼要提高效率?因為如果效率能夠超過某個阈值,就會出現一種極為特殊的情況:産生的能量超過輸入的能量,也即實現大于 1 的能量增益(正能量增益)
這樣的情況,在過去難以實現。科學家們花了整整 70 年,距離這個目标卻一直非常遠:比如在 2013 年 10 月 15 日,NIF 的某一次前序測試才勉強實現了 0.0078 的能量增益,比正能量增益的 1/125 還不如。
而在十年後,NIF 終于跨過了正能量增益這一裡程碑:在不到 10 納秒(1 秒 = 十億納秒)的時間裡,整個燃料球完成了它的聚變反應,并實現了超過 1 的能量增益——這當然是件非常值得令人興奮的事情。
" 這注定将成為 21 世紀最令人印象深刻的科學壯舉之一。" 美國能源部長 Granholm 表示。
| 什麼時候商業化?聚變核電站?
在本次事件中,大家主要要看的是能量産出 3.15 兆焦和能量輸入 2.05 兆焦這兩個數字之間的對比。但是,這并不意味着前面那個 300 兆焦的 " 插座用電 " 就不重要。
你可以這樣理解:為了讓這個 " 激光筆 " 啟動,我們需要把它插到 " 插座 " 上,盡管 " 激光筆 " 照射目标用了兩度電," 電表公司 " 卻告訴我們實際上的電網流量是 300 度 ……
在科學上,我們應該聚焦于正能量增益這一決定性的事實。但是從實際應用,從商業化的角度,我們當然也要關注 300 兆焦——百倍耗電的問題。
LLNL 主任 Budil 博士對此回應:我們的計算預測顯示,可以通過規模化和合理安排激光裝置的方式,來實現百倍增收,也即獲得數百兆焦的能量産出。研究團隊有一個理論路徑去實現那樣的未來,但距離它還非常非常的遠。
"(即便考慮今天的成就,)我們仍然還有着許多非常巨大的難題沒有解決。這些問題不隻是科學上的,還有技術上的,"LLNL 主任 Budil 博士指出," 我們隻是成功點火了一個燃料倉,就這麼一次。"
而想要實現 這一可控核聚變技術的商業化,還有很多問題需要解決。 比如如何把這種單次的聚變,變成多次、可持續的聚變,今天的科學家還有許多要素并不具備。
" 我想距離那樣的未來,可能還要數十年的時間,",Budil 表示," 但是我想應該不是 60 年,也不是 50 年 …… 我想,隻要有各部門各界各行業的通力合作,對底層技術進行進一步研究和開發 …… 可控核聚變發電站的落成,也許我們有生之年可以看到。"
環空器燃料倉圖片來源:能源部
能源部長 Granholm 則表示,目前拜登政府的能源政策和施政綱領中的确有提及對可控聚變核電站進行研究,但目前尚無新的進展可以分享。毫無疑問,通過清潔、安全、先進的核聚變方式進行發電是一個非常有價值的方向,不過目前遠未達到可行性研究的階段。
不過 Granholm 也強調,在可控核聚變發電技術方面,美國政府非常需要并且歡迎民間資本的介入:
" 在研究的前期,美國财政的研究支持對于取得今天這樣的成績尤為關鍵,但在之後我們要走的路上,需要公共研究和民間研究齊頭并進。我們非常支持對這一領域感興趣的民間資本,比如投資群體和創業公司,和我們一起努力在未來(幾)十年内打造出可工作的可控核聚變發電站。"
雖然這位能源部長更為樂觀,一個需要明确的事實是:今天 NIF 的研究人員剛剛取得高于 1 倍的能源效益。
而在核聚變發電站的典型設計中,對磁約束方案的能源效益要求是至少 30 倍,慣性約束方案至少 70 倍;常規的裂變式核電站的能源效益更是極高,以美國為例,全國隻有 54 座核電站、92 枚反應堆,卻供應了全國接近五分之一的電力。
未來的路的确很長。
| 為什麼上周試驗成功,這周才公布?
過去一周,NIF 的所有團隊的成員都在非常辛苦地檢查實驗數據,對實驗結果進行驗證。
" 你們會發現,當你點燃一個小燃料倉的時候,發生了一件很小但又很大的事情 …… 但是與之相關的實驗數據卻并不‘小’,我們所有團隊所有熟悉業務和數據的成員都需要來檢查和驗證這些數據,"Budil 博士表示,不僅内部人員參與,在得到了令他們驚訝的結果之後,他們還必須找了外部專家團隊來進行獨立驗證。
正是這些極其繁瑣、仔細、相互獨立的數據驗證工作,才能讓科學家們确認,他們完成了一項長達 70 年都沒有實現的關鍵使命,終于實現了那個讓一代又一代物理學家、化學家、計算機科學家們前仆後繼的 " 奇迹 "。
" 告訴大家發生了什麼很重要,把事實和證據給大家看更重要。"
| 對磁約束有何意義?
Budil 博士指出,作為核聚變的兩種主要實現技術方案,磁約束和慣性約束在一些數據分析檢測方面有些共同點,但在技術原理和實驗場景上還是有着本質的區别。
簡單來說,磁約束聚變主要是低壓低溫的持續環境,而慣性約束是高能高壓高溫的瞬時環境——注意這裡的持續和瞬時之間區别其實不大,可能無非也是幾百納秒和幾納秒之間的差異。兩種技術方案的研究推進,對于未來人類實現通過可控核聚變進行發電都有着關鍵意義。
不過從顯示情況來看,由于磁約束方案的研究時間更長,研究力量更多元化(國家、公 / 私),磁約束方面的核電站概念開發進度目前更 " 遠 " 一些,距離落實可能更近一些。
| " 激光,激光,全都是激光 "
對于家住南灣 / 東灣的朋友來說,對 Livermore 的印象可能就是奧特萊斯。其實,美國最重要的一座大型公立研究實驗室——勞倫斯 - 利弗莫爾國家實驗室,也坐落于這裡。
勞倫斯 - 利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)落成于 1952 年,是美國冷戰策略的産物,為了打造最先進的核武器、推進核科學和技術的研究和應用而建立。
不過到了今天,這個實驗室已經發展出了一系列多元化的研究方向,包括軍工武器和複雜融合、網絡安全、物理、生物安全、反恐、超級計算等。
比如,美國西海岸最大的超算集群之一,就坐落于 LLNL。 在超算曆史上 占有一席之地的 IBM 紅杉超級電腦, 因為屬于美國國家核安全局 高級仿真和計算機化的一部分,也受 LLNL 實驗室的管理。
而承擔了本次實驗的 " 國家點火裝置 " ( NIF ) 和光粒子科學部門,正是整個 LLNL 旗下最重要和曆史最悠久的部門,沒有之一。
圖片來源: NIF
圖片來源: NIF
NIF 是整個美國最大規模、能量最強的激光系統。其占地面積相當于一個美式橄榄球體育場,總共有 192 套獨立 / 可合作的激光束生成設施——所以這次實驗,可以說是 " 火力全開了 "。
這也是為什麼 Budil 主任幽默地表示,LLNL 的全稱其實是 "Lasers, Lasers, Nothing but Lasers."
" 對于 NIF 的研究人員和工作人員來說,這是一個具有裡程碑意義的成就。他們的醫生緻力于使得核聚變點火成為現實,這次實驗無疑将激發更多的發現。" 能源部長 Granholm 表示。
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本文來自微信公衆号 " 矽星人 "(ID:guixingren123),作者:光譜 杜晨,編輯:VickyXiao,原标題:人類 " 盜火 " 時刻:可控核聚變首次輸出超過輸入,聚變核電時代來臨