核聚变能应用前景现一丝曙光

2023-03-17瞿立建

科学大众·小诺贝尔 2023年3期

关键词：原子核核聚变增益

瞿立建

2022年12月14日，美国科学家宣布，核聚变研究取得重大突破，实现了能量增益，即输出的能量大于输入的能量。物理学家经过几十年的尝试，终于实现了这一重要目标。

能量增益了多少？美国的实验中，输出的能量比输入的能量多了相当于1/3千瓦时电能。能量虽少，却是核聚变发电的一大步。

为了了解这项成就的意义，我们要从头说起。

什么是核聚变

我们周围的各种物体都由原子或分子组成，而分子由原子组成。比如，铁由铁原子组成；氧气由氧气分子组成，一个氧气分子由两个氧原子组成；水由水分子组成，一个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。

原子的中心是原子核，原子核的外面是电子，电子以不同的半径绕着原子核转，就像行星绕着太阳转。原子核由带电的质子和不带电的中子组成。质子数相同的原子属于同一元素，质子数相同但中子数不同的原子互为同位素。

两个原子可以结合在一起，产生一个或多个新种类的原子，同时减少一点总质量。减少的很小的质量会转变成巨大的能量，这是物理学家爱因斯坦所预言的。

核聚变产生的巨大能量是非常可怕的，核武器氢弹就是利用的核聚变的威力。天上的恒星，包括太阳，利用核聚变，源源不断地发出光和热。

人类能不能和平利用核聚变

在科学上，没有理由不行，可实际上却是无比困难。核聚变能放出巨大能量，但是启动核聚变也需要巨大的能量，科学家把输入能量启动核聚变称为“点火”。

美国自1997年起开始建造国家“点火”装置，2010年全面启动“点火”实验，向着输出能量大于输入能量，即能量增益这个目标前进。

美国的“点火”是用激光实现的，将192束世界上最强大的激光准确打向装有燃料球的小金罐上，小金罐有同学们的铅笔上的橡皮擦那么大，燃料球直径大约为1毫米，由氢元素的两种同位素组成。激光会压缩小罐，猛然把燃料球压缩得比金属铅还要致密，温度急剧升高到300万℃，约为太阳表面温度的200倍，比太阳中心处的温度还高。

这种状况维持足够长时间，燃料中两种氢同位素就会融合，发生聚变，释放出能量。这里的“足够长时间”与我们的日常经验相比，显得极其短暂，约为十亿分之一秒。

科学家取得了什么成就

美国国家“点火”装置的科学家测量了燃料聚变释放的能量与激光中的能量的比值，称为增益因子。这个比值如果大于1，说明前者大于后者，这个技术未来才有可能有利可图，否则就是赔本买卖。

2021年进行的“点火”实验，增益因子为0.7。2022年12月的实验中，打到燃料球的激光的能量为200万焦耳，约为电吹风机工作15分钟所耗的能量，核聚变反应释放的能量约为300万焦耳，约为1千瓦时电的能量，增益因子为1.5，大于1。

从开始建造国家“点火”装置到实现这一目标，美国用了25年的时间！

这是核聚变研究中历史性的一刻，但是核聚变能要走入生產、生活，依然非常遥远。

核聚变研究还有诸多挑战

核聚变不产生放射性核废料，没有碳排放，原料是价格低廉的水。核聚变能如果实现商业应用，将一劳永逸地解决能源问题。因此，核聚变能被称为“能源圣杯”。

几十年来，科学家一直在稳步前进，解决核聚变和平利用的一个个难题。不过，要彻底实现核聚变能的商业化难题，还有许多挑战性工作要做。

对于激光“点火”的技术路线，还需要能量更大、能耗更低、光线更集中的激光器。

实现核聚变已经很难了，让核聚变持续进行更有挑战性，燃料球略有瑕疵，发生核聚变就需要耗费更多能量。科学家在想方设法提高激光能量的利用率，目前激光能量的利用率仅为10％～30%。

目前，核聚变的燃料为氢的两种同位素氘和氚。地球上的氘含量很丰富，海水里有的是，但氚含量很少。核聚变反应本身也会产生氚，所以科学家在想办法提高氚的利用率。