激光核聚變接近臨界點(diǎn)

2017/8/14 10:57:21

或許在今年，美國國家點(diǎn)火裝置(NationalIgnitionFacility，NIF)將變得名副其實(shí)。這個(gè)耗資35億美元的裝置坐落在美國加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，能產(chǎn)生世界上最大的激光束，用來爆聚(implode，從內(nèi)部引爆)一個(gè)氫同位素標(biāo)靶，觸發(fā)核聚變，產(chǎn)生的能量將比輸入的多得多。NIF的管理人員認(rèn)為，為了達(dá)至臨界點(diǎn)或者說“點(diǎn)燃反應(yīng)堆”，他們進(jìn)行了兩年的工作，現(xiàn)在可以說是勝利在望。項(xiàng)目主管艾德•摩西(EdMoses)表示：“我們完全有能力在2012財(cái)政年度內(nèi)取得成功�！�

然而，這種方式仍然屬于慣性約束核聚變(inertialconfinementfusion)，就算整個(gè)項(xiàng)目取得成功，也面臨著不確定的未來。實(shí)驗(yàn)成功是否就意味著，美國能源部會(huì)把它開發(fā)成一種經(jīng)濟(jì)可行的能源呢？如果是的話，那么NIF激光觸發(fā)核聚變的方法是否是最佳方案呢？3月7日，美國國家科學(xué)院專家小組提交的一份中期報(bào)告總結(jié)道，現(xiàn)在下結(jié)論還言之過早。報(bào)告還建議核聚變科學(xué)家繼續(xù)尋找引燃核燃料的替代性技術(shù)。

美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的等離子物理學(xué)家格倫•烏爾登(GlenWurden)同意報(bào)告的觀點(diǎn)，并認(rèn)為研究慣性約束核聚變的科學(xué)家不應(yīng)該把寶全壓在激光觸發(fā)法上。他認(rèn)為：“可控核聚變技術(shù)完全不成熟�！彼�指出，另一種核聚變方式——磁約束核聚變(magneticconfinementfusion)以及這種方式的標(biāo)志性項(xiàng)目、耗資210億美元的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)也遇到了很多困難，以至于研究停滯不前。ITER進(jìn)展遲緩，研究費(fèi)用不斷膨脹，都?xì)w咎于一項(xiàng)不成熟的技術(shù)，即托卡馬克裝置(tokamak，受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置)，這是一個(gè)面包圈狀的籠子，里面的強(qiáng)力電磁鐵禁閉著一個(gè)核聚變等離子體。

盡管科學(xué)家最初信心百倍，計(jì)算機(jī)模型模擬也非常有利，NIF項(xiàng)目同樣沒能按預(yù)期進(jìn)度前行。烏爾登表示：“科學(xué)家以為‘點(diǎn)燃’反應(yīng)堆猶如探囊取物�！比欢�，NIF對(duì)氫同位素進(jìn)行加溫加壓的過程麻煩不斷。在一個(gè)叫做間接傳動(dòng)(indirectdrive)的過程中，多束激光束會(huì)從橡皮擦大小的“輻射空腔”(hohlraum，一個(gè)金質(zhì)圓筒)的兩個(gè)開口射入，使其內(nèi)部產(chǎn)生X射線。之后，由X射線來加熱并擠壓輻射空腔內(nèi)的核燃料(氫同位素標(biāo)靶)，觸發(fā)核聚變。然而，在輻射空腔內(nèi)部，激光與等離子體之間發(fā)生了意料之外的渦流交互作用，吸收了來自激光束的能量。這會(huì)抵消很多能量，使NIF的激光能量輸出達(dá)不到點(diǎn)燃反應(yīng)堆所必須的極限閾值。

不管怎樣，NIF的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)階段。18個(gè)月前，當(dāng)科學(xué)家開始向點(diǎn)火目標(biāo)推進(jìn)時(shí)，該設(shè)施僅完成了預(yù)想中點(diǎn)火必要條件的1%�，F(xiàn)在，完成度已經(jīng)到達(dá)10%，而且進(jìn)程正在加快：僅今年1月就有創(chuàng)紀(jì)錄的57次轟擊。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)也在探索一系列調(diào)整方案，包括用鈹或金剛石替代塑料來包裹核燃料，以及改變輻射空腔的材質(zhì)或形狀。摩西表示，他們還可能把NIF的極限能量從1.8兆焦(只有達(dá)到這個(gè)能量級(jí)別，才能做到“收支平衡”)提升到2.2兆焦。

但如同美國國家科學(xué)院的報(bào)告所指出的，其他方法可能會(huì)提供一個(gè)更簡單的途徑來點(diǎn)燃反應(yīng)堆，最終成為一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的電廠。那么誰在為這些研發(fā)付錢呢？美國及世界范圍內(nèi)大多數(shù)慣性約束反應(yīng)堆的研究，都是由涉及國家安全和武器研發(fā)的聯(lián)合企業(yè)所資助的，它們研究核聚變是為了武器開發(fā)，而不是用于民用電廠�，F(xiàn)在，激光慣性約束核聚變研究受美國能源部下屬的國家核安全局(NNSA)監(jiān)管，NNSA的主要職責(zé)是負(fù)責(zé)管理核儲(chǔ)備。

而在能源部的科學(xué)辦公室，幾乎沒有資金劃撥給慣性約束核聚變的研究。大多數(shù)資金都用在支持磁約束核聚變上，而且越來越多的資金給了ITER項(xiàng)目。馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國聚變能協(xié)會(huì)(FusionPowerAssociates)是一個(gè)核能倡導(dǎo)團(tuán)體，負(fù)責(zé)人斯蒂芬•迪恩(StephenDean)認(rèn)為，就算專家小組的最終報(bào)告認(rèn)為，慣性約束核聚變能源項(xiàng)目可行，這項(xiàng)研究還是很難在科學(xué)辦公室找到一席之地。迪恩表示：“我想，能源部會(huì)直接無視它，明顯他們只對(duì)ITER情有獨(dú)鐘，而且正瘋狂地想要拯救這個(gè)項(xiàng)目�！�

如果NIF的科學(xué)家能在2013拿到他們所需的4.6億美元經(jīng)費(fèi)，他們就能探索其他方案。比如，美國羅切斯特大學(xué)的等離子物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)打算調(diào)整NIF的激光，這樣他們就能不使用輻射空腔，而直接爆聚一個(gè)氫同位素標(biāo)靶。

但NIF的科學(xué)家并沒有坐等替代方法的出現(xiàn)。早在點(diǎn)火裝置之前，他們就積極準(zhǔn)備著下一個(gè)項(xiàng)目，一個(gè)叫做激光慣性聚變能(LaserInertialFusionEnergy，LIFE)的示范電站。民用電廠要經(jīng)濟(jì)實(shí)用，生產(chǎn)的能量必須比每次轟擊標(biāo)靶所輸入的能量多50倍以上，而且必須提高重復(fù)使用效率，從一天數(shù)次轟擊變?yōu)槊棵?5次，但這絕非易事。

事實(shí)上，這個(gè)多孔狀的NIF設(shè)施就是LIFE的反應(yīng)室的放大模型，而LIFE的反應(yīng)室是模塊化的，這種模塊小到足以裝進(jìn)卡車。NIF的設(shè)計(jì)使用的是上千只巨大的頻閃燈管來為玻璃激光器充能，LIFE則將使用小巧的、晶體管充能發(fā)光體。摩西反駁了激光作為未來的核聚變電廠的驅(qū)動(dòng)力還言之尚早的說法。他認(rèn)為，通過對(duì)用于民用電子產(chǎn)品上的激光和晶體管的投資，市場和公眾已經(jīng)做出了選擇。如果回顧一下過去，那么“人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，晶體管和激光是具有劃時(shí)代意義的發(fā)明”。

LIFE的項(xiàng)目主管麥克•杜恩(MikeDunne)認(rèn)為，他們的電廠單個(gè)造價(jià)大概40億美元，可在本世紀(jì)20年代初為電網(wǎng)提供數(shù)億瓦特的電能，要比科學(xué)家預(yù)計(jì)的、第一座磁約束核聚變電廠的出現(xiàn)時(shí)間至少早10年�；貞浧饚啄昵霸谝粋�(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議上，向磁約束核聚變的研究者介紹LIFE項(xiàng)目的理念時(shí)，摩斯說道：“他們反應(yīng)相當(dāng)激烈地說，‘這不可能’。他們當(dāng)時(shí)就被這個(gè)項(xiàng)目的雄心壯志所震撼，如今他們?nèi)詴?huì)感到震撼�！�