当前位置: 华文世界 > 科学

美国「人造太阳」大突破?史上第一次自持燃烧,和中国的大不一样

2024-07-05科学

史上首次氘氚自持燃烧。

自1952年苏联成功进行了首次氢弹试验,国际上就开始了核聚变的研究。

国际上几乎所有地方都在进行聚变实验,希望能够在聚变约束中产生足够高的温度,让氢和氚等核素自发性作用发生聚变,以此制造出足够的热能。

但是,在历经了近70年的发展,国际上依旧没有哪一个聚变约束实验台能够将氢氚氦主成分的平衡浓度维持几分钟以上,更不用谈进行自持聚变燃烧了。

中方东方超级环之前的一系列突破,让美方警醒过来,从2020年以后美国各个地方纷纷向聚变计划注入更多的资金,并且对我国的聚变能源计划大做文章,不断举出我国聚变计划的各种最多的缺点。

这也让我国开始反思聚变能源计划,并且把聚变计划加快了研发速度,也让我国的聚变计划距离成功又进了一大步。

在2021年8月,全球最大的磁约束聚变实验装置东方超级环正式启动,凭借着其巨大的研发团队和雄厚的研发经费,自持聚变燃烧一定会早日在我国出现。

然而,令人出乎意料的是,尽管全世界的科研人员都非常期待我国的自持聚变燃烧早日到来,但是自持聚变燃烧还是在2021年8月被美方的普林斯顿大学成功实现,而且实验不仅仅只进行了几秒,唯有发生了一次而已。

在8月份,普林斯顿大学的一支渭聚变团队在进行了一个小时长的氘氚激光点火之后,实验开始的时候,团队将一个直径不到两毫米的聚变靶放在激光的瞄准准直下进行照射,同时团队使用另一组激光束将一个外围高速旋转的聚变弹丸包围起来,这样两组激光就能够形成一个与激光靶准直度高的靶球。

然后聚变弹丸就会以与激光靶相同的形状飞向激光靶,当两者相撞之后,氚的燃烧温度就会因为撞击射流突在一瞬间达到几亿摄氏度以上。

到底美方的实验为什么会有成功的突破,而我国的东方超级环还无法进行自持聚变燃烧呢?

美国聚变计划的发展史。

其实美国的核聚变研究已经可以说是早在1945年第二次世界大战的末期,美国就已经着手进行相关工作了。

当时美国刚刚进行完对日本的两次原子弹轰炸之后,就正式开始了海湾2地块上的沃特大学的研究,希望能够在核聚变方面早日实现突破。

然而当时美国的计划是想要在水铀弹这种以氢核场为主的弹头中添加氘等轻核却反而不行,同时想要直接把水铀弹变成核聚变弹头同样也不行。

直到1946年,美国的安装军出身的物理学家而且曾获得过1943年物理学诺贝尔奖的伊萨克牛顿就证明,安装军在核武器领域的研究不太会有什么进展,因此决定退出核武器研究领域继续自己的主业。

并且,他还带领着一支由自己的学生组成的核聚变研究小组开始了核聚变的研究。

在这之后的1948年,伊萨克牛顿就和亚伯拉罕帕萨德以及曼哈顿计划时期的两位团队成员吉昂丁卡思等四人共同成立了核聚变能源公司。

在经过将近一个月的头脑风暴之后,四人模仿太阳采用的氢核聚变发电模式,而且对于太阳的核聚变原理认识十分有限。

因此,他们决定从轻微的一点发展,而这一点就是氘和氚这两种同为氢的同位素本身就能够相互聚变,因此他们就想要依靠对他们在研究方向上的了解,带领科技的发展。

在1949年7月份,气体动力学家理查德加杜克带领他的团队员工对实验设备进行了改进,成功制造出第一台室温下进行的氘–氚聚变实验设备,并且验证氘和氚的核聚变理论。

在1951年的底特律塞壬湖,伊萨克牛顿的团队正式对联合核研究所的核聚变杜拜进行了一场空前的试验,内容就是对氘和氚这两种同为氢的同位素进行核聚变。

经过整整一个小时的激光点火之后,时间就是粒子轰击靶核燃烧的充足时间,果然,这次实验就有着史册性的突破,一颗氘核在没有任何外力作用下开始了聚变,并且只需要氘氚等时较短的活跃即可。

美国突破大中国的聚变计划。

正因为这次突破,我国在1954年的时候就希望能够借鉴联合核研究所的氘-氚聚变实验进行反应堆的建设,最终的目的就是想要通过这种方式将该堆的规模扩大到可以自持燃烧的规模。

可以说在1958年的时候,国际原子能机构对国际上的核聚变研究作出了最权威的一份声明,声明中提到联合核研究所的氘-氚聚变实验设备可以作为一台能够进行氘-氚聚变的发电机。

但是由于联合核研究所一直使用的都是实验设备,因此该发电机的运行时间只能维持几百个微秒,因此联合核研究所的实验设备就没有被认为是一台真正意义上的自持燃烧的核聚变发电机。

而美国和我国则希望通过这款发电机引出可控核聚变研究,从而验证可控核聚变的规律,并且检测在西子能量的约束下,可控核聚变是否能够实现。

然而在1968年,联合核研究所因为各个国家在核聚变研究方面的分歧最终解散,美国对联合核研究所的氘-氚发电机进行了引出可控核聚变研究,而我国则希望自己来独立研究氘-氚聚变原型反应堆。

在1986年,我国自主研发的氘-氚聚变实验装置进行了第一次实验,并且取得了成功,该实验装置就是原来在德国购买的全球最大的磁约束聚变实验装置。

在第一次试验也就是我国对氘–氚聚变进行了点火之后,试验时间就达到了几微秒左右,而且通常情况下,光靶在被激光进行照射后就不会存活了,但是同样通常情况下,靶球也就需要3微秒就能够被靶球消耗掉,因此在第一次试验中,我国的聚变靶的力撑时间就到达35微秒。

这就意味着,我国的聚变靶的力撑时间可以达到美方靶球力撑时间的10倍,并且付出的代价还比美方少,甚至有分析认为,我国可以在燃烧等方面赶超美国的水平。

但是这只是一种假设,因为在2018年,美国自主研发的磁约束聚变装置在进行了第一次自持氘-氚聚变燃烧之后,在1.3秒之后,美国的实验就因为撑不住力撑时间而被迫终止。

而且在燃烧周期内,氢、氚和氦的成分的平衡浓度方面,美国也要比我国好很多,这就是美国能够在2021年8月份进行自持聚变燃烧的原因。

结语

我国在进行了氘-氚聚变方面的自主研发之后,赶超美国的巅峰期,虽然现在美国的氘-氚聚变号能够进行自持燃烧,但是只能维持一颗氘星活跃时间。

而我国东方超级环则需要在企鹅燃烧周期,氢氚和氦的成分平衡浓度方面再努力,一定会在不久之后就能够进行自持聚变燃烧。