当前位置: 华文世界 > 科学

大写的尴尬!曾被美国吹爆的激光核聚变,为啥现在没人相信了?

2024-07-16科学

如果一个国家拥有 无穷无尽的能源 ,并且这个能源 不会排放温室气体 ,也 不会产生有害物质 ,那么是不是就代表这个国家在综合国力方面赢面很大?

作为蓝星第一大国,美国也是这样想的。

所以美国一头扎进了 「激光核聚变技术」 ,并宣称取得了十分重大的突破,已经俨然进入到了 随时可以落地运用 的阶段。

然而事实真的如此吗?人类离控制激光核聚变技术,令它为自己源源不断地提供清洁新能源这个目标还有多远?

什么是激光核聚变技术?

对于核能的强大,人类早已通过原子弹的引爆而有了深刻的体验。

然而,与脾气暴烈的原子弹相比起来,激光核聚变技术则以其对能源利用的极致性以及产生能源的清洁性而备受推崇。

何谓激光核聚变技术?

简单说来,就是通过 对细微的激光的精确引导 ,让它去轰击一枚蕴藏着氘和氚两种同位素的靶丸, 使其在高温高压的环境中融合成氦原子核 ,就能释放出源源不断且无坚不摧的能量。

在美国科学家描绘出的梦想蓝图中:激光核聚变技术是一种 「只需要一滴同位素,就可以释放出足够点亮万家灯火的能量」 的高效能技术,是人类梦寐以求的能源利用新篇章。

美国为获得激光核聚变有多拼?

不得不说,作为蓝星上的科技巨擎,美国在激光核聚变技术领域投入的人力物力是相当不菲的, 仅国家点火装置的建设成本一项,就超过了30亿美元 , 而包括激光干涉测量核聚变装置等研究平台在内的研究平台,每年都要耗费数亿美元的财政预算。

不过,对于美国来说,付出倒总该是有所回报的。

前面开头说的在NIF实现的核聚变反应点火并引爆成功,其实 对于激光核聚变技术方面的突破是相当重大的, 因为这就代表着,人类首次实现了 核聚变反应输出的能量大于输入能量 ,激光核聚变技术不再是「赔本买卖」,是切切实实让人看到了它的回报价值。

以至于,位于美国加州的LongView聚变能源公司已跳过演示装置,直接就把 世界上第一座激光核聚变工厂 的设计和建造的项目提上了议程,希望能够在2030年代初期建成一座1600兆瓦,可以为一个小城市供电的核聚变电站。

但是,美国的这一设想,很有可能要落空。

因为目前人类要解决的激光核聚变技术方面的问题,可不是一星半点。

激光核聚变实现有多难?

对于人类来说, 「核能」是把达摩克利斯之剑

虽然它蕴藏着强大的能量,但是如何安全又高效地利用它,是十分困难的。

它的「脾气」不好,喜怒无常,你不知道它什么时候会突如其来地爆发,且爆发之后带来的灾难,绝对是人类所无法承受的。 日本福岛,俄罗斯切尔诺贝利 ,都可以看作是前车之鉴。

毕竟我们始终 没有一个合适的物理容器,能够承载核聚变反应带来的1亿°C等离子态高温物质。

因此,核聚变反应的第一个难点,就体现在了如何「维稳」上:怎样才能够长时间稳定地约束高温等离子体?

而即使解决了高温等离子体的约束问题,激光核聚变过程依然是不可控的,入射的激光总能量与靶丸内爆能量的 效率并不高,通常只能达到1%-2%的水平

这是因为激光与等离子体相互作用过程中存在 多种不稳定性因素 ,包括激光能量的散射以及超热电子的预热等,因此,这就会导致大量的激光能量 在传输和转换过程中被损失掉 ,造成核聚变反应的能量输出效率极低,甚至导致核聚变反应的成功率无法进一步上升。

为此,人们想尽办法,包括提升靶丸的质量和性能,以更为高精度的加工和检测技术去进行制备,同时对激光束参数进行优化,使 激光控制更为精确

包括在反应堆方面,为了能够防止核聚变反应中产生的大量高能中子和其他辐射粒子,对反应堆造成的严重损伤和腐蚀,科学家们也是费尽脑筋,采用了 大量新型合金、复合材料或纳米材料等能够「扛得住」高温、中子辐射和其他恶劣环境的新型材料去提升反应堆的寿命

然而这些研究的进展,直至目前为止仍然停留在实验室阶段,通常只能在受控的实验室条件下进行,距离实现商业化和实用化还有很长的一段路要走,目前看来, 起码还需要数十年的时间。

中国的激光核聚变技术是何进展?

那么,面对一个如此「烧钱」,但是发展潜力又比较可观的项目,中国有没有参与研究呢?

答案当然是肯定的。

同样作为ITER项目参与国, 中国对于激光核聚变技术的重视程度,并不亚于美国。

然而中国对激光核聚变技术研发的规划并没有美国那么激进,而是 更加注重聚变反应的稳定性和可持续性 ,主打能先驯服」高温等离子体这条潜力无限但脾气暴躁的「火龙」,然后再根据控制策略的发展,对能量的输出进行研究了。

目前,中国不仅仅已经拥有了自主研制的神光-Ⅱ和神光-Ⅲ等神光系列激光装置,具备了激光核聚变实验的重要平台,更研制出了能在激光照射下实现均匀压缩的精密靶材料以及能够产生高能量、高脉冲激光束的高功率激光驱动系统,甚至已经实现了点火和燃烧过程的一些关键步骤, 下一步就是正式点火,实现能量增益了。

激光核聚变会给人类带来什么?

那么,人类致力于研究激光核聚变技术,除了希冀获得更清洁也更高效的能源之外,它还能够落实到哪些方面去展开运用呢?

其中一个十分值得关注的点就是 「核武器物理模拟」 。核武器这个东西,就像家中常备的大棒,你可以不用,但是不能没有,在维护国家安全和军事优势方面具有重大意义。

但是每一次核武器的试验,都需要 通过核爆炸来观测结果 ,在核爆炸的过程中,所发射出的大量X射线、γ射线、中子等辐射,包括高温,都会对环境造成巨大的破坏,但是这些辐射与物质的相互作用又恰恰是核武器研究至关重要的一环。

因此,采用激光核聚变产生与核爆炸相应的辐射环境,能够为核武器的设计和验证数值计算提供有价值的数据,有助于科学家更好地了解核武器的性能和特点,在一定程度上替代地下核试验进行核爆炸辐射效应的研究。

除了在军事领域的应用价值之外,在天文学科方面, 激光核聚变技术也具有相当不可替代的实用价值。

要发射宇宙飞船去近距离观测星体的运动和内部环境,无疑需要耗费大量的人力物力。而激光核聚变技术能够 模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境 ,就给予了科学家「足不出户」深度研究宇宙秘密的条件,能够有效推动天体物理学、宇宙学等学科的发展。

结语

虽然 美国「到2023年用上激光核聚变新能源」的设想是落空了 ,但是作为清洁、高效、可持续利用的能源,人类对于激光核聚变技术的开发是不会停止的。

随着技术的不断成熟和成本的逐步降低,激光核聚变技术才会真正走向实用化,到那时,人类将会进入一个新的能源新时代。