如果一個國家擁有 無窮無盡的能源 ,並且這個能源 不會排放溫室氣體 ,也 不會產生有害物質 ,那麽是不是就代表這個國家在綜合國力方面贏面很大?
作為藍星第一大國,美國也是這樣想的。
所以美國一頭紮進了 「激光核聚變技術」 ,並宣稱取得了十分重大的突破,已經儼然進入到了 隨時可以落地運用 的階段。
然而事實真的如此嗎?人類離控制激光核聚變技術,令它為自己源源不斷地提供清潔新能源這個目標還有多遠?
什麽是激光核聚變技術?
對於核能的強大,人類早已透過原子彈的引爆而有了深刻的體驗。
然而,與脾氣暴烈的原子彈相比起來,激光核聚變技術則以其對能源利用的極致性以及產生能源的清潔性而備受推崇。
何謂激光核聚變技術?
簡單說來,就是透過 對細微的激光的精確引導 ,讓它去轟擊一枚蘊藏著氘和氚兩種同位素的靶丸, 使其在高溫高壓的環境中融合成氦原子核 ,就能釋放出源源不斷且無堅不摧的能量。
在美國科學家描繪出的夢想藍圖中:激光核聚變技術是一種 「只需要一滴同位素,就可以釋放出足夠點亮萬家燈火的能量」 的高效能技術,是人類夢寐以求的能源利用新篇章。
美國為獲得激光核聚變有多拼?
不得不說,作為藍星上的科技巨擎,美國在激光核聚變技術領域投入的人力物力是相當不菲的, 僅國家點火裝置的建設成本一項,就超過了30億美元 , 而包括激光幹涉測量核聚變裝置等研究平台在內的研究平台,每年都要耗費數億美元的財政預算。
不過,對於美國來說,付出倒總該是有所回報的。
前面開頭說的在NIF實作的核聚變反應點火並引爆成功,其實 對於激光核聚變技術方面的突破是相當重大的, 因為這就代表著,人類首次實作了 核聚變反應輸出的能量大於輸入能量 ,激光核聚變技術不再是「賠本買賣」,是切切實實讓人看到了它的回報價值。
以至於,位於美國加州的LongView聚變能源公司已跳過演示裝置,直接就把 世界上第一座激光核聚變工廠 的設計和建造的專案提上了議程,希望能夠在2030年代初期建成一座1600兆瓦,可以為一個小城市供電的核聚變電站。
但是,美國的這一設想,很有可能要落空。
因為目前人類要解決的激光核聚變技術方面的問題,可不是一星半點。
激光核聚變實作有多難?
對於人類來說, 「核能」是把達摩克利斯之劍 。
雖然它蘊藏著強大的能量,但是如何安全又高效地利用它,是十分困難的。
它的「脾氣」不好,喜怒無常,你不知道它什麽時候會突如其來地爆發,且爆發之後帶來的災難,絕對是人類所無法承受的。 日本福島,俄羅斯切爾諾貝爾 ,都可以看作是前車之鑒。
畢竟我們始終 沒有一個合適的物理容器,能夠承載核聚變反應帶來的1億°C等離子態高溫物質。
因此,核聚變反應的第一個難點,就體現在了如何「維穩」上:怎樣才能夠長時間穩定地約束高溫等離子體?
而即使解決了高溫等離子體的約束問題,激光核聚變過程依然是不可控的,入射的激光總能量與靶丸內爆能量的 效率並不高,通常只能達到1%-2%的水平 。
這是因為激光與等離子體相互作用過程中存在 多種不穩定性因素 ,包括激光能量的散射以及超熱電子的預熱等,因此,這就會導致大量的激光能量 在傳輸和轉換過程中被損失掉 ,造成核聚變反應的能量輸出效率極低,甚至導致核聚變反應的成功率無法進一步上升。
為此,人們想盡辦法,包括提升靶丸的質素和效能,以更為高精度的加工和檢測技術去進行制備,同時對激光束參數進行最佳化,使 激光控制更為精確 。
包括在反應堆方面,為了能夠防止核聚變反應中產生的大量高能中子和其他輻射粒子,對反應堆造成的嚴重損傷和腐蝕,科學家們也是費盡腦筋,采用了 大量新型合金、復合材料或納米材料等能夠「扛得住」高溫、中子輻射和其他惡劣環境的新型材料去提升反應堆的壽命 。
然而這些研究的進展,直至目前為止仍然停留在實驗室階段,通常只能在受控的實驗室條件下進行,距離實作商業化和實用化還有很長的一段路要走,目前看來, 起碼還需要數十年的時間。
中國的激光核聚變技術是何進展?
那麽,面對一個如此「燒錢」,但是發展潛力又比較可觀的專案,中國有沒有參與研究呢?
答案當然是肯定的。
同樣作為ITER專案參與國, 中國對於激光核聚變技術的重視程度,並不亞於美國。
然而中國對激光核聚變技術研發的規劃並沒有美國那麽激進,而是 更加註重聚變反應的穩定性和可持續性 ,主打能先馴服」高溫等離子體這條潛力無限但脾氣暴躁的「火龍」,然後再根據控制策略的發展,對能量的輸出進行研究了。
目前,中國不僅僅已經擁有了自主研制的神光-Ⅱ和神光-Ⅲ等神光系列激光裝置,具備了激光核聚變實驗的重要平台,更研制出了能在激光照射下實作均勻壓縮的精密靶材料以及能夠產生高能量、高脈沖激光束的高功率激光驅動系統,甚至已經實作了點火和燃燒過程的一些關鍵步驟, 下一步就是正式點火,實作能量增益了。
激光核聚變會給人類帶來什麽?
那麽,人類致力於研究激光核聚變技術,除了希冀獲得更清潔也更高效的能源之外,它還能夠落實到哪些方面去展開運用呢?
其中一個十分值得關註的點就是 「核武器物理模擬」 。核武器這個東西,就像家中常備的大棒,你可以不用,但是不能沒有,在維護國家安全和軍事優勢方面具有重大意義。
但是每一次核武器的試驗,都需要 透過核爆炸來觀測結果 ,在核爆炸的過程中,所發射出的大量X射線、γ射線、中子等輻射,包括高溫,都會對環境造成巨大的破壞,但是這些輻射與物質的相互作用又恰恰是核武器研究至關重要的一環。
因此,采用激光核聚變產生與核爆炸相應的輻射環境,能夠為核武器的設計和驗證數值計算提供有價值的數據,有助於科學家更好地了解核武器的效能和特點,在一定程度上替代地下核試驗進行核爆炸輻射效應的研究。
除了在軍事領域的套用價值之外,在天文學科方面, 激光核聚變技術也具有相當不可替代的實用價值。
要發射宇宙飛船去近距離觀測星體的運動和內部環境,無疑需要耗費大量的人力物力。而激光核聚變技術能夠 模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內核的環境 ,就給予了科學家「足不出戶」深度研究宇宙秘密的條件,能夠有效推動天體物理學、宇宙學等學科的發展。
結語
雖然 美國「到2023年用上激光核聚變新能源」的設想是落空了 ,但是作為清潔、高效、可持續利用的能源,人類對於激光核聚變技術的開發是不會停止的。
隨著技術的不斷成熟和成本的逐步降低,激光核聚變技術才會真正走向實用化,到那時,人類將會進入一個新的能源新時代。