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核融合研究新里程碑,成功实现“燃烧电浆”状态

2024-11-22 225


那一瞬间,核融合终于成真。为了在地球上打造可与恒星媲美的能量,科学家们多年来钻研核融合技术,最近美国科学团队则透过高功率激光光,成功实现“燃烧电浆(burning plasma)”,转瞬即逝间让核融合所产生的能量超过总输入能量。

核融合主要是模拟太阳能发生的反应,太阳核心大约摄氏 2,700 万度,每秒将大约 6.2 亿吨氢融合成 6.16 亿吨氦,把 400 万吨物质转化成能量,若要在地球上创造这些反应,需要大量的能量来启动这个过程。

这项成就发生的地点位于劳伦斯利佛摩国家实验室的国家点火设施(National Ignition Facility,NIF),该机构自 2009 年启用,科学家们在此研究核融合技术,为产生庞大压力和温度,以 192 台激光发射出 1.9 兆焦耳(MJ)的紫外线能量,再照到小如滚珠轴承大小的环空器(hohlraum)中,内爆其中的燃料胶囊,才有机会将原子融合成氦,并释放出巨大能量。

而这次,国家点火设施的核融合反应成功释放出 1.35 MJ 焦耳能量,这也是首次核融合过程所产生的能量超过总输入能量。

LLNL 物理学家 Alex Zylstra 表示,过去几十年来核融合实验使用大量的“外部”加热系统,才能在高温高压下驱动核融合反应,但如今我们抵达新里程碑,首次让核融合反应自己加热。根据团队说法,这就是所谓的自热效应(self-heating),核融合电浆可自行加热,当自己供热的能量大于外部能量时,就是进入燃烧电浆状态。

现在科学家们则在国家点火设施迈出微小但关键的一步。在此次实验中,科学家先微调装置,包括扩大集中在燃料上的激光能量,同时改变目标的几何形状和激光束间的能量传输方式,以全新的方式来控制压缩和加热燃料的内爆过程,创造出自热电浆。

LLNL 物理学家兼主要作者 Annie Kritchey 表示,我们首次在核融合研究设施中达到燃烧电浆状态。纵使电浆仅维持短短纳秒级,真要实现持续稳定核融合反应,还需几十年的时间,但团队终于向点燃(ignition)迈出重要一步,仍认为这转瞬即逝的自热电浆,是一个重要的概念证明。

  • Nuclear fusion milestone creates “burning plasma" for the first time
  • Nature paper describes the target and laser designs that achieved a burning plasma at Lawrence Livermore
  • Burning plasma achieved in inertial fusion

(首图来源:Lawrence Livermore National Laboratory, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons)

2022-01-28 22:03:00

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