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美國「人造太陽」大突破?史上第一次自持燃燒,和中國的大不一樣

2024-07-05科學

史上首次氘氚自持燃燒。

自1952年蘇聯成功進行了首次氫彈試驗,國際上就開始了核融合的研究。

國際上幾乎所有地方都在進行融合實驗,希望能夠在融合約束中產生足夠高的溫度,讓氫和氚等核素自發性作用發生融合,以此制造出足夠的熱能。

但是,在歷經了近70年的發展,國際上依舊沒有哪一個融合約束實驗台能夠將氫氚氦主成分的平衡濃度維持幾分鐘以上,更不用談進行自持融合燃燒了。

中方東方超級環之前的一系列突破,讓美方警醒過來,從2020年以後美國各個地方紛紛向融合計劃註入更多的資金,並且對中國的融合能源計劃大做文章,不斷舉出中國融合計劃的各種最多的缺點。

這也讓中國開始反思融合能源計劃,並且把融合計劃加快了研發速度,也讓中國的融合計劃距離成功又進了一大步。

在2021年8月,全球最大的磁局限融合實驗裝置東方超級環正式啟動,憑借著其巨大的研發團隊和雄厚的研發經費,自持融合燃燒一定會早日在中國出現。

然而,令人出乎意料的是,盡管全世界的科研人員都非常期待中國的自持融合燃燒早日到來,但是自持融合燃燒還是在2021年8月被美方的普林斯頓大學成功實作,而且實驗不僅僅只進行了幾秒,唯有發生了一次而已。

在8月份,普林斯頓大學的一支渭融合團隊在進行了一個小時長的氘氚雷射點火之後,實驗開始的時候,團隊將一個直徑不到兩公釐的融合靶放在雷射的瞄準準直下進行照射,同時團隊使用另一組雷射束將一個外圍高速旋轉的融合彈丸包圍起來,這樣兩組雷射就能夠形成一個與雷射靶準直度高的靶球。

然後融合彈丸就會以與雷射靶相同的形狀飛向雷射靶,當兩者相撞之後,氚的燃燒溫度就會因為撞擊射流突在一瞬間達到幾億攝氏度以上。

到底美方的實驗為什麽會有成功的突破,而中國的東方超級環還無法進行自持融合燃燒呢?

美國融合計劃的發展史。

其實美國的核融合研究已經可以說是早在1945年第二次世界大戰的末期,美國就已經著手進行相關工作了。

當時美國剛剛進行完對日本的兩次原子彈轟炸之後,就正式開始了海灣2地塊上的沃特大學的研究,希望能夠在核融合方面早日實作突破。

然而當時美國的計劃是想要在水鈾彈這種以氫核場為主的彈頭中添加氘等輕核卻反而不行,同時想要直接把水鈾彈變成核融合彈頭同樣也不行。

直到1946年,美國的安裝軍出身的物理學家而且曾獲得過1943年物理學諾貝爾獎的伊薩克牛頓就證明,安裝軍在核武器領域的研究不太會有什麽進展,因此決定結束核武器研究領域繼續自己的主業。

並且,他還帶領著一支由自己的學生組成的核融合研究小組開始了核融合的研究。

在這之後的1948年,伊薩克牛頓就和亞伯拉罕帕薩德以及曼哈頓計劃時期的兩位團隊成員吉昂丁卡思等四人共同成立了核融合能源公司。

在經過將近一個月的頭腦風暴之後,四人模仿太陽采用的氫核融合發電模式,而且對於太陽的核融合原理認識十分有限。

因此,他們決定從輕微的一點發展,而這一點就是氘和氚這兩種同為氫的同位素本身就能夠相互融合,因此他們就想要依靠對他們在研究方向上的了解,帶領科技的發展。

在1949年7月份,瓦斯動力學家理查德斯加杜克帶領他的團隊員工對實驗裝置進行了改進,成功制造出第一台室溫下進行的氘–氚融合實驗裝置,並且驗證氘和氚的核融合理論。

在1951年的底特律塞壬湖,伊薩克牛頓的團隊正式對聯合核研究所的核融合杜拜進行了一場空前的試驗,內容就是對氘和氚這兩種同為氫的同位素進行核融合。

經過整整一個小時的雷射點火之後,時間就是粒子轟擊靶核燃燒的充足時間,果然,這次實驗就有著史冊性的突破,一顆氘核在沒有任何外力作用下開始了融合,並且只需要氘氚等時較短的活躍即可。

美國突破大中國的融合計劃。

正因為這次突破,中國在1954年的時候就希望能夠借鑒聯合核研究所的氘-氚融合實驗進行反應爐的建設,最終的目的就是想要透過這種方式將該堆的規模擴大到可以自持燃燒的規模。

可以說在1958年的時候,國際原子能總署對國際上的核融合研究作出了最權威的一份聲明,聲明中提到聯合核研究所的氘-氚融合實驗裝置可以作為一台能夠進行氘-氚融合的發電機。

但是由於聯合核研究所一直使用的都是實驗裝置,因此該發電機的執行時間只能維持幾百個微秒,因此聯合核研究所的實驗裝置就沒有被認為是一台真正意義上的自持燃燒的核融合發電機。

而美國和中國則希望透過這款發電機引出可控核融合研究,從而驗證可控核融合的規律,並且檢測在西子能量的約束下,可控核融合是否能夠實作。

然而在1968年,聯合核研究所因為各個國家在核融合研究方面的分歧最終解散,美國對聯合核研究所的氘-氚發電機進行了引出可控核融合研究,而中國則希望自己來獨立研究氘-氚融合原型反應爐。

在1986年,中國自主研發的氘-氚融合實驗裝置進行了第一次實驗,並且取得了成功,該實驗裝置就是原來在德國購買的全球最大的磁局限融合實驗裝置。

在第一次試驗也就是中國對氘–氚融合進行了點火之後,試驗時間就達到了幾微秒左右,而且通常情況下,光靶在被雷射進行照射後就不會存活了,但是同樣通常情況下,靶球也就需要3微秒就能夠被靶球消耗掉,因此在第一次試驗中,中國的融合靶的力撐時間就到達35微秒。

這就意味著,中國的融合靶的力撐時間可以達到美方靶球力撐時間的10倍,並且付出的代價還比美方少,甚至有分析認為,中國可以在燃燒等方面趕超美國的水平。

但是這只是一種假設,因為在2018年,美國自主研發的磁局限融合裝置在進行了第一次自持氘-氚融合燃燒之後,在1.3秒之後,美國的實驗就因為撐不住力撐時間而被迫終止。

而且在燃燒周期內,氫、氚和氦的成分的平衡濃度方面,美國也要比中國好很多,這就是美國能夠在2021年8月份進行自持融合燃燒的原因。

結語

中國在進行了氘-氚融合方面的自主研發之後,趕超美國的巔峰期,雖然現在美國的氘-氚融合號能夠進行自持燃燒,但是只能維持一顆氘星活躍時間。

而中國東方超級環則需要在企鵝燃燒周期,氫氚和氦的成分平衡濃度方面再努力,一定會在不久之後就能夠進行自持融合燃燒。