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作者:辛雨 來源:中國科學報 發布時間:2020/11/24 15:22:57
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激光核聚變反應堆里程碑:燃燒等離子體

 

在美國國家點火裝置的目標艙內,192束激光束集中在花椒大小的聚變燃料芯塊上。圖片來源:LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY

2010年10月,美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員啟動了192束激光束,并將它們的能量集中成一個脈沖。為此,美國國家點火裝置(NIF)開始了一項運動,以實現目標:通過點燃聚變反應產生比激光注入還要多的能量。

10年過去了,經過近3000次發射,NIF研究人員認為他們已經接近一個重要的里程碑——“燃燒等離子體”——聚變燃燒是由反應本身的熱量維持的,而不是激光能量的輸入。

自熱的關鍵是燃燒所有的燃料和獲得失控的能量增益。負責勞倫斯利弗莫爾核聚變項目的Mark Herrmann表示,模擬試驗表明,一旦NIF達到閾值,它將更容易點火。英國帝國理工學院慣性聚變研究中心副主任Steven Rose表示,他們正在擺脫傳統設計,開始嘗試新事物。

長期以來,核聚變一直被認為是一種無碳能源,它以現成的氫同位素為燃料,不會產生長期存在的放射性物質,但這仍然是一個遙遠的夢想。

NIF和其他慣性聚變裝置不同,它更像一個內燃機,通過小型燃料芯塊的快速爆炸產生能量。點火試驗的前3年里,每一次發射只產生約1千焦的能量,低于x射線脈沖注入膠囊的21千焦能量,也遠低于最初激光脈沖的1.8兆焦能量。

點火失敗后,NIF研究人員加強了診斷儀器,增加了更多的中子探測器,以便從三維角度看到核聚變反應發生的地方。他們還調整了四束激光,在內爆后瞬間產生高功率、超短脈沖,以蒸發目標附近的細導線。這些導線就像一個x射線閃光燈,能夠在燃料壓縮時探測到它。

研究人員用更敏銳的視覺追蹤到了爆炸燃料丸的能量泄漏。其中一個發生在發射前,一根細管向太空艙注入燃料的地方,其他泄漏可以追溯到膠囊的塑料外殼。因此,研究人員改進了制造工藝,以消除缺陷。美國羅徹斯特大學激光能量學實驗室Mingsheng Wei表示,這種改進后的診斷方法“確實能幫助科學家了解需要改進哪些方面”。

經過不斷改進完善,NIF已多次達到接近60千焦的產量。但是Herrmann表示,最近美國物理學會等離子物理分會討論的一個例子已經超過了這個數字,預計將在100千焦左右。 Herrmann認為,團隊還需要嘗試更多的技術,每一種技術都可以將溫度和壓力提高到足以維持等離子體燃燒和點火的水平。如果還不夠,那下一個選擇將是提高激光能量。NIF研究人員已經對其中四個束線進行了升級測試,并成功地獲得了能量提升,如果升級應用到所有束線上,將使整個設備接近3兆焦耳。

當然,這些升級需要時間和資金。NIF和其他核聚變科學家正在焦急地等待美國國家核安全管理局的審查結論。Herrmann表示,將盡其所能推進NIF。

 
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