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美国惯性聚变的里程碑进展意义究竟有多大?

已有 3558 次阅读 2022-12-13 14:16 |个人分类:核能|系统分类:海外观察

美国能源部宣布,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)取得重大科学进展,人类历史上第一次实现了可控聚变能量增益(Q>1)。聚变产生了2.5兆焦耳能量,超过了驱动聚变激光的2.1兆焦。

“人类历史第一次”?开始我是怀疑的,因为有印象磁约束早就实现能量增益了。美国上世纪八十年代的TFTR就尝试过。日本的JT-60U也早声称达到了Q=1.25(2013年),欧洲的JET很早(1997年)就实现过高聚变功率输出(16MW)。NIF自己也在2013年,声称其“科学增益”或“燃料增益”超过1,是可控聚变发展的里程碑。

刚才重新查了一下,发现NIF还真没有瞎说。JT-60U那一次是等效增益。他们的实验是用纯氘做的,如果换成氘氚,就会实现Q=1.25。但是他们并没有做氘氚实验,因为用氚实验对实验条件的要求非常苛刻,JT-60U没有用氚实验的能力。JET虽然实现了16兆瓦的聚变功率输出,但是对应的加热功率是24兆瓦,Q值为0.67。JET的16兆瓦氘氚实验时间很早,我以为后面肯定超过1了,但后面JET一直没有再去冲击这一纪录,因为氘氚运行的麻烦太多。磁约束只要用上了中性粒子注入加热,Q值超过1不难。

去年8月份的时候,NIF已经在实验中实现了1.3兆焦耳的输出,对应Q值为0.7左右,已经超过了JET的正式纪录。考虑到时间差了20多年,虽然对于惯性聚变是了不起的进展,毕竟只是刚刚超过磁约束聚变的水平,也离换算的JT-60U有差距。

但这次Q值超过1,的确是历史上第一次真正的可控聚变里程碑。

这次实验,技术上不比去年难多少。因为去年激光能量只有1.8兆焦,这次是2.1兆焦,不改变其它条件的情况下,完全可以直接倍增聚变能量。技术上,去年的进展更重要,因为它比点火工程(NIC)完成(2012)及后来的“科学增益超过1”(2013年)时,聚变中子数,也就是聚变能量,增加了约100倍。今年只是在增加激光能量的条件下,再增加约一倍聚变能量。所以,这次里程碑,应该说在去年就已经确定了。具体进展是控制内爆对称性、或不稳定性增长的能力大幅提高。

从技术上来说,磁约束聚变完全可以实现更高的Q值,但是磁约束装置氘氚运行太贵了。NIF也不是每次都用氘氚,一般也是用氘,或者氢。

美国NIF计划很早就开始了,正式破土动工是1997年,目的就是实现惯性约束聚变点火(点火的意思就是Q>1)。但到2012年点火工程结束的时候,Q值不到百分之一,项目被认为失败了。并导致基于惯性聚变的发电项目LIFE直接下马。现在相当于十年之后实现了十年前应该达到的目标。考虑到大的科学计划,如詹姆斯韦伯望远镜,超期也动不动上十年,NIF计划应该还算是成功的。

磁约束没有率先实现这一点火目标,倒是有些意外。除了上面列的哪些,磁约束聚变研究规模和投入都远高于惯性聚变,一般认为,聚变发电最有可能的路线是磁约束。也许是因为做磁约束的人多,所以声音大。ITER的费用是NIF的5倍,计划实现的Q值是10~15,但不能发电。

虽然实现了点火,但聚变要发电,还有很多很大的困难。比如氚的缺乏,放射性,材料。激光聚变Q值大于1的算法是聚变能除以激光能,而不是除以消耗的电能。就单独这次实验,实际上消耗了约500兆焦耳电容蓄能,变成约4兆焦耳激光能,倍频之后得到2.1兆焦激光能,聚变产生2.5兆焦聚变能。从电到聚变能的Q值是0.005。如果要实现聚变发电,这个值必须是5以上,还差1000倍。

激光聚变特有的问题是昂贵的聚焦镜片就在聚变靶附近,聚变能量输出大了,镜片就废了。镜片的价值,是聚变产生能量发成电卖成钱的一亿倍以上。

个人认为:聚变应该是长远的深空能源,在地球上很难,太贵,也没有必要。



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