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科幻小說中無盡的能源﹐是幻想﹖還是現實﹖
核聚變是一個產生能量的反應﹐它將簡單的原子核融合成更複雜的原子核﹐就像氫原子融合成氦原子。核聚變常發生於恆星核心﹐大量的分子塵埃在重力作用下坍塌﹐從而在新生恆心的核心產生巨大的壓力和熱量。幾十年來科學家一直在研究核聚變﹐把它當作可持續發電的源泉﹐但未能實現。加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的一個團隊終於取得了重大飛躍﹐使在核反應堆內創造出提供能量的「恆心」成為可能。研究團隊在國家點火裝置(NIF)成功完成核聚變點火。12月5日該團隊執行了歷史上第一次受控核聚變實驗﹐也可稱為科學上能量得失平衡。這次實驗達成了新的里程碑﹐意味著從核聚變中產生的能量大於點燃核聚變所需的激光能量。
該實驗用192個激光同時轟擊一個橡皮擦大小的小球﹐使小球釋放出大於激光轟擊所用的能量。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在聲明中寫道﹕我們向小球發射了2.05兆焦耳(MJ)的能量﹐產生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出﹐超過了核融合閾值﹐首次證明了慣性聚變能(IFE)的根本科學基礎。
不過這並不意味著核聚變能源唾手可得﹐先進科學技術仍需進一步發展﹐使慣性聚變能項目更容易、實惠的為家庭和商業供電。美國能源部目前正在重啟一個大範圍協調合作的慣性聚變能項目﹐加上私營部門的投資﹐將推動核聚變商業化的快速進展。儘管這只是利用核聚變獲得清潔能源的初步步驟﹐但研究團隊表示這是一個變革性的突破。「點火是第一步﹐一個真正有里程碑意義的一步﹐為未來十年高能量密度科學和核聚變研究的轉型奠定了基礎﹐我已經迫不及待想看看它能把我們帶到哪裡。」「核聚變能源道路上的科技挑戰令人生畏。當我們處於最佳狀態時﹐就能讓看似不可能的事情成為可能。」。
核聚變反應的點燃就是在這樣的情況下開展﹐然而目前的實驗中﹐反應只能維持很短的時間。在實驗中﹐原子融合產生的能量超過了激光點燃反應所需的能量﹐這是淨能量增益的里程碑。近幾年該實驗室的科學家進行了幾次核聚變實驗﹐但實驗產生的能量不足﹐無法取得巨大的突破。在2014年該團隊實驗產生的能量相當於讓一盞60瓦燈泡亮5分鐘。去年他們成功達成1億億瓦的功率輸出﹐相當於實驗所消耗能量的70%。最近一次實驗中產生的能量比消耗的能量多了一點﹐這意味著在很短的時間裡﹐反應不依靠激光的能量而使用自身的能量融合了更多氫原子﹐靠自身維持住了反應。然而據《衛報》報道﹐該實驗只產生了0.4兆焦耳的淨能量﹐大約相當於燒開一壺水所需的能量。
達成這一突破之時正值俄烏衝突之際﹐世界正努力應對衝突帶來的能源危機﹐尋求在不使用化石燃料的情況下﹐滿足可持續供能的新方法。聚變產生的能量不僅無碳排放﹐而且不像核裂變那樣產生有危險的放射性廢棄物。然而紐約時報警告稱﹐儘管非常有前景﹐但該實驗只是邁向核聚變應用漫長旅途中的第一步﹐尚未開發出能在工業規模上啟動和維持核聚變的高效激光﹐將反應能量轉為電能的技術也還沒有。
美國國家點燃實驗室主要用於未實際爆破情況下的核武器試驗。這次實驗使用了條紋法來觸發核聚變反應。大多數核聚變點燃實驗都涉及一種叫托卡馬克的特殊反應堆﹐一種用於儲存氫氣的環形裝置。氫氣會在托卡馬克內部被加熱直到電子從原子核中分裂出來﹐產生等離子體。
激光會將托卡馬克加熱到約540萬華氏度﹐使其內氣體汽化﹐從而產生一陣X射線。然後這些X射線加熱氘氚粒子﹐氫的兩種同位素。隨著粒子核心溫度升高﹐氫原子在核聚變的第一束光中融合成了氦原子。
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