美國這個點火裝置到底有多厲害?中國有沒有類似的裝置?
好家夥!中沙兩國一挖美元牆角,美帝科技就有大突破,老美怕是掐着點來的吧?
這不,美國能源部将發布重磅消息,說自家的國家點火裝置已實現核聚變反應,并産生了 120% 的淨能量增益。
雖然整個反應時間不到一秒,但是對于美國來說,甚至對于世界來說,就如同人類實現登月一樣,都是不小的進步。
那麼美國這個點火裝置到底有多厲害?中國有沒有類似的裝置?
激光核聚變
想要在地球上實現核聚變,目前主流有這麼兩種辦法。
第一種是利用磁約束來操控氫的同位素 - 氘和氚,使之能夠成等離子體,并加熱至 1 億攝氏度左右,使其相關碰撞,繼而發生聚變,并釋放能量。
著名的例子就是前蘇聯科學家搞出來的托卡馬克裝置,中國以這個作為基礎也弄出來一個純國産的磁約束裝置,取名為東方超環 EAST,并在 2021 年取得不錯的成績,甚至還創造了新的世界紀錄。
第二種就是利用激光慣性約束弄出來的國家點火裝置。
不同于采用強磁場約束的托卡馬克裝置,這玩意是利用超高能的激光轟擊微小的核燃料,使其坍縮内爆,以模拟太陽内部的環境。
同時核燃料經過這麼一轟擊,裡面就會形成等離子體,但由于自身慣性還來不及向四周飛散,就被加熱到極高溫度并發生聚變反應。
通常來說,這樣的核燃料十分微小,小到什麼程度呢?直徑隻有 2 毫米,差不多是咱們日常見到的黃豆一半大小。
而發射激光的裝置都是非常巨大的,比如美國這個點火裝置,由近 200 台激光器組成,有三個足球場那麼大。
它們會産生 192 束高能激光,并同時轟擊核燃料,以啟動核聚變反應。這就有點像用一大批高射炮打蚊子,内部結構要十分精準巧妙才行。
為什麼這次美國國家點火裝置實現的核聚變反應,震驚了科技界?
這裡要給大家科普一下,美國和我們的核聚變研究方向不一樣,美國是激光激發,而我們是磁激發。
不管美國還是中國,以前的成果都隻局限于核聚變受控時間長度,其消耗能量和輸出能量都是虧損的。
而這次美國的成果,是實現了能量盈利,即輸出能量高于消耗能量(20%)。也就是說這個成果,實現了從如何實現可控核聚變技術到可用核聚變技術的飛躍。
美國這次的成果肯定是突破,但離實際應用還早的很,保守估計最少也要 30 年。
中國核聚變裝置
那中國有沒有類似的裝置?當然也有,比如由中國科學院和中國工程物理研究院合辦的高功率激光物理聯合實驗室,就制造出來多款激光核聚變裝置,并取名為神光系列。
在 1985 年,神光第一代系統就問世了,當年在運行中成功進行了激光打靶實驗,取得重要的結果,也達到了預期目标。
該裝置輸出激光總功率為 1 萬億瓦,而激光時間隻有一秒鐘的十億分之一到百億分之一,可用透鏡聚焦到直徑約50μm 的靶面尺寸上。可以産生千萬度的高溫,強沖擊波和反沖擊壓力。
因此也是當時中國規模最大的高功率钕玻璃激光裝置,這在國際上也為數不多,同時也标志着中國在該領域已經進入世界先進行列。
之後在 2001 年 8 月,我們又建設完成神光第二代系統,該裝置是由數百台套激光單元和組件的集成,規模上比第一代擴大了 4 倍,最高輸出功率 1013W。就瞬時功率而言,比當年全國發電量的總和還要大許多倍。
2015 年又完成神光第三代系統,能夠将 48 路激光同時引導到 30um 核裝置實現核聚變反應,它的誕生也成為了世界上投入運行的第二大激光驅動器,僅次于美國,同時也是亞洲最大的高功率激光裝置。
而根據最新的消息,2020 年我們又完成了神光第四代系統,它包含高達 288 路的高功率激光束,其總輸出功率為 2MJ。
做個對比吧,美國這次實現核聚變突破的那個國家點火裝置,近 200 台激光器的才産生 192 束高能激光。
從這一點看,中國的裝置跟美國相比,絲毫不遜色。
但美國這次實驗結果卻令人感覺到十分意外,那就是聚變反應産生了大約 2.5 兆焦耳的能量,大約是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%。
值得一提的是,雖然美國這次實驗結果有了,但是樣本和相關設備卻被破壞了,這會讓後續分析變得複雜,好嘛,這是要死無對證的節奏嘛?
目前來看,中國取得領先的技術是托卡馬克裝置關于耐高溫材料上的突破,這對于核聚變反應堆裝置至關重要,反應堆産生的超高溫環境,沒有兜能裝,也是毫無意義的。
至于光路線和磁路線哪一種更好,現在還不好說,但中國目前是兩條腿都在走,機會概率總的來說還是很大的。
本文來自微信公衆号 "52 赫茲實驗室 "(ID:whalelab),作者:頑皮的小鲸