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美国核聚变“点火”取得新进展 首次实现小量“盈余”

发布:dengying阅读:844时间:2014-2-22 14:33:55
    2013年下半年,研究人员利用美国国家点火装置(NIF)实验产生了10倍于以前的能量增益,并证实了最终聚变点火所必需的自加热现象。
    2009年NIF建成之后,就迅速开始了为期3年的点火实验研究,但直到结束时离既定目标依然很远。此后,美国国会又给予了3年时间来进行更多的探索性研究以发现问题所在。
    最近在Nature和Physical Review Letters上发表的论文正是表明聚变点火依然可行的首个信号。罗彻斯特大学激光能量学实验室主任Robert McCrory评价说,“结果不错”,但他又补充到NIF离点火还很远,“那些期待很快就有突破的人们可能要失望了”。

靶室里面毫米大小的燃料靶丸
    NIF最初实现点火的计划很大程度上依赖于之前的模拟结果。当NIF开动时,整个系统运转良好,模拟预测会产生大量聚变能量输出,但实验结果却与模拟大相径庭:能量增益非常低。2012年,国会做了一项调查,最终批评NIF研究人员没能解释实验与模拟的差距在哪里。2013年他们开始更科学地研究问题,同时还更换了领导层并引入了新的研究人员。
他们认定了两处关键问题:一是燃料靶丸压缩不对称并形成了圆环形热斑;二是内爆过程中烧蚀材料破裂并混入到DT燃料之中,这些都使点火更加困难。为了解决热斑形状问题,他们调整了192束激光的相对能量,以产生更加对称的内爆。为了解决第二个问题,他们调整了激光脉冲的同步。以前的实验开始时用低功率约20 ns的脉冲在不加热燃料的情况下推动内爆,然后用高功率的脉冲进行最终的点火。这个“低足”想法的初衷是冷的燃料可以压缩到更高的密度,但比较慢的速度也让烧蚀材料有足够时间破裂。
在最近的实验中,他们使用了“高足”激光脉冲,尽管不能达到较高的压缩密度,但可以使内爆更快,脉冲结束更早,约15 ns,他们希望借此来控制燃料与靶丸的混合。实验证实他们的方法是有效的,并首次实现了燃料区能量的增益。
    重要的是,他们首次看到了自加热现象,这对于增加聚变能量输出至关重要。燃料的内核开始反应时,聚变反应产生中子的同时生成α粒子,它能帮助把周围较冷的燃料加热到反应所需的温度。NIF认为在他们最好的实验中,α粒子加热使聚变能提高了一倍。
    但这些实验与真正的能量增益(产生的聚变能大于输入的激光能量)还相差很远。尽管产生的聚变能大于沉积在燃料上的能量,但绝大部分激光能量还是消耗在了从UV到X射线的转换和能量会聚到靶丸的过程中。去年最好的一次实验中得到的能量仍不足输入激光能量的1%。
对于NIF团队现在需要做什么,大家看法并不一致。McCrory认为目前的方案并不一定能最终点火,实现真正的能量增益,“他们已经竭尽所能了”。在实验中,研究人员通过降低压强来控制燃料混合,但为了得到更高的产额他们需要提高压强但同时避免燃料的混合,这有点像是自我设限。研究人员表示还需要尝试不同的方法。
    尽管还存在不确定性,但研究人员仍然为NIF的新进展而备受鼓舞。
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