核聚变科学家如何将最新突破转化为新的清洁能源

美国的研究人员终于实现了几十年前设定的目标：利用核聚变实现“点火”——输出的能量比输入的能量多。进行实验的劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施(NIF)的科学家们无疑对最终实现其设施名称所暗示的承诺感到既兴奋又欣慰。但是我们其他人应该有多兴奋呢?这对于有效创造无限量清洁能源的可能性究竟意味着什么?要实现这一目标还需要发生什么?

虽然聚变反应释放出更多的能量进入目标，但这并没有考虑到发射用于驱动实验的激光所需的大量能量。同样，能量的爆发不是以电的形式，而是高能粒子的脉冲。利用这些粒子发电——并保持聚变反应堆持续运行——需要克服许多障碍。

尽管如此，点火是一项了不起的成就，它有望激发人们对应对这些进一步挑战的兴趣，并可能利用资金来应对这些挑战。

实验：它是如何运作的，它取得了什么成果

让我们来看看具体实现的细节。研究人员使用高功率激光将205万焦耳的能量发射到一个含有聚变燃料的微小目标中。这迫使燃料中的轻原子核聚集在一起，形成更重的原子核——在此过程中释放出315万焦耳的能量。

这对应于大约1.5(2.05x1.5=3.1)的增益。这是一股如此强烈的能量爆发，以至于在一瞬间，燃烧的聚变燃料产生的能量比地球上所有发电站的输出总和还要多一万倍。

这是大科学。NIF大楼由192条单独的激光束组成，它们在到达目标之前会在一公里多的距离内来回反弹。容纳所有这些技术的大楼有十层楼高，有三个并排的(美式)足球场那么大。

聚变研究主要分为两个方面：激光驱动聚变和磁约束聚变。磁约束涉及使用大磁场以等离子体(带电气体)的形式悬浮聚变燃料。

相反，激光驱动的聚变涉及将微小的聚变燃料胶囊内爆到难以置信的高密度，此时燃烧将进行得如此之快，以至于在燃料有机会飞散之前就可以释放出大量能量。

在这两种情况下，燃料都必须升温至数千万摄氏度才能开始燃烧。正是这一要求比其他任何要求都更难实现聚变。

激光驱动聚变仍面临重大挑战

激光聚变是一种脉冲技术，一个巨大的障碍就是所谓的激光重复率。能量以持续不到十亿分之一秒的强烈爆发形式释放，必须每秒重复几次才能产生可​​与现代化石燃料发电站相媲美的平均功率输出。

按照这些标准，NIF激光太慢了。它一天只能发射两次。但NIF的目标是证明单次点火是可能的，而不是模仿实际发电站的要求。

点火时间这么长的另一个原因是它不是NIF的唯一任务——它还支持美国的核武器计划。

激光驱动核聚变的物理学是如此复杂和多方面，以至于计算机模拟通常比实际实验花费更多的时间。早期，建模者更多地是从实验中学习，而不是告诉实验者下一步该做什么。模型预测和实验结果之间的日益接近巩固了NIF最近的成功，并预示着未来目标设计的改进。

在接下来的几个月里，建模者和实验者将需要证明结果可以重现——再次实现——这在过去被证明是困难的。

还有许多其他挑战需要解决。在设计和制造可以每秒多次发射高能脉冲的激光器方面已经做了大量工作。

另一个主要限制是NIF激光器需要3亿焦耳的电输入才能提供200万焦耳的激光输出——效率不到1%。因此，目标必须产生不可行的大增益，才能产生比为本例中使用的激光器供电更多的能量。

然而，NIF激光基于可追溯到1980年代的技术。它使用由掺杂稀土元素钕的玻璃板制成的闪光灯和放大器。

使用半导体技术的现代高功率激光器可以做得更好，效率达到20%左右。鉴于激光驱动的聚变目标在最佳工作时预计能够产生超过100的增益，使用现代激光器将产生显着的净能量输出。

建造一个工作反应堆还有一段路要走

激光驱动聚变的另一个挑战是降低目标成本。制定NIF目标所涉及的人力意味着每个目标的成本都相当于一辆全新的汽车。

每次激光发射都需要一个新的目标。对于实际的电力生产，这意味着每秒有几次新的发电。NIF上使用的目标还依赖于一种称为“间接驱动”的技术，其中目标首先将激光能量转换为X射线，然后使目标内部的聚变燃料舱内爆。这增加了复杂性和成本。

许多科学家认为，激光驱动聚变能的发展方向将涉及“直接驱动”点火。在这里，激光直接照亮了一个简单的球形燃料舱。然而，这种点火方法尚未得到证实。

NIF的燃料(氘和氚)以高能中子(与质子一起构成原子核的粒子)的形式释放出大部分能量。中子与反应堆容器中的材料相互作用，改变它们的成分和微观结构。

这可能对必须有效传输或反射激光的光学元件构成严峻挑战。一些科学家考虑通过其他方式推动类似的物理学，可能直接使用脉冲电力，或聚焦离子束(带电原子)。

磁约束聚变研究在与建造动力反应堆相关的许多领域处于领先地位。为了设计和建造ITER设施，它不得不解决许多相同的问题，该设施也旨在产生收益，并且即将在法国南部完工。来自这两个研究领域的科学家和工程师在与反应堆建造相关的方面进行合作，这对两个领域都是共同的。

几十年来，聚变能似乎永远是遥不可及的奖品。尽管仍然存在重大挑战，但由于研究人员现在正积极致力于改进激光技术和反应堆设计，突破将不可避免地导致基于核聚变的发电厂取得进一步进展。一些研究聚变的研究人员现在感觉到，他们可能会在自己的有生之年看到聚变为电网提供能量。