核聚变反应堆堆芯产生的能量超过其在世界首次示范中消耗的能量

这一突破标志着聚变反应堆核心释放的能量首次超过吸收的能量,但仍需克服重大障碍。

国家点火装置的聚变反应堆使用 192 束激光将激光聚焦到一个人发直径的热点上。 (图片来源:Science History Images/Alamy Stock Photo)
国家点火装置的聚变反应堆使用 192 束激光将激光聚焦到一个人发直径的热点上。 (图片来源:Science History Images/Alamy Stock Photo)

美国政府实验室的研究人员表示,他们在核聚变反应堆的炽热中心取得了“重大科学突破”。 有史以来第一次,检测到反应堆堆芯释放的能量多于输入的能量——这是在向化石燃料或常规核能释放近乎无限的零碳替代能源的竞赛中迈出的一小步,但却是重要的一步 植物。

通过发射世界上最高能的激光束将氢同位素氘和氚转化为燃烧的等离子体,美国政府资助的位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施 (NIF) 的物理学家使用激光大约 2 兆焦耳的能量 在血浆中产生约 3 兆焦耳,增加了 1.5 倍。

自 1940 年代以来,科学家们一直在尝试建立利用核聚变的实用方法——使恒星像太阳一样燃烧的过程。 通过在极高的压力和温度下将氢原子融合成氦,主序星将物质转化为光和热,产生巨大的能量而不产生温室气体或持久的放射性废物。

但复制恒星心脏内部的条件并非易事。 除了重现地狱般的温度和压力,还需要大量的能量来将燃料转化为等离子体、点燃它,并用强大的磁场或激光束安全地围栏它。 它花了几十年和数十亿美元才到达这里,但点火终于实现了。

“在实验过程中,192 束高能激光会聚在一个胡椒粒大小的目标上,将氘和氚的胶囊加热到超过 300 万摄氏度 [540 万华氏度],并短暂地模拟恒星的条件。” 美国能源部负责核安全的副部长兼国家核安全局 (NNSA) 局长吉尔·赫鲁比 (Jill Hruby) 在 12 月 13 日的新闻发布会上说。 “我们已经朝着可以彻底改变世界的清洁能源迈出了第一步。”

该实验发生在不到十亿分之一秒内,将光子(光粒子)射入反应堆核心内圆柱体的两端,撞击胶囊的内壁,产生 X 射线,加热燃料颗粒 变成燃烧的等离子体。 等离子一旦变热,就会燃烧无限小的瞬间,然后眨眼消失。

皇后大学物理学教授詹卢卡·萨里 (Gianluca Sarri) 表示:“这是这项探索的重大成果,可以说是有史以来最重要的一步之一。我们第一次有证据表明聚变反应会产生大量的过剩能量。” 没有参与实验的贝尔法斯特大学告诉我们。 “到目前为止,甚至对这种原理验证实验的可行性也存在疑问和疑虑。这些现在已经消散,注入了如此多的乐观和能量来推动这一进程并解决仍然存在的技术问题。”

周日(12 月 11 日)英国《金融时报》的一篇文章最初嘲笑了这一公告,引发了一连串令人窒息的新闻报道,兴奋地预示着无限清洁能源的曙光。 然而,科学家们警告说,这只是实现聚变商业能源的第一步——虽然在反应堆中心的激光和等离子体之间观察到了净能量增益,但整个反应堆消耗的能量远多于释放的能量 ,聚变在扩大规模为我们的家庭供电之前面临许多挑战。

“不幸的是,它还没有到来,”萨里说。 “但这一结果无疑将加速公共机构和私营公司的发展。对此持保留态度,但我敢说我们现在谈论的最多是几十年我们才能拥有一个可用的核反应堆 基于融合。”

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