激光核聚变反应堆里程碑:燃烧等离子体

2020年11月24日 15:22:57 来源: 中国科学报
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2010年10月,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员启动了192束激光束,并将它们的能量集中成一个脉冲。为此,美国国家点火装置(NIF)开始了一项运动,以实现目标:通过点燃聚变反应产生比激光注入还要多的能量。

10年过去了,经过近3000次发射,NIF研究人员认为他们已经接近一个重要的里程碑——“燃烧等离子体”——聚变燃烧是由反应本身的热量维持的,而不是激光能量的输入。

自热的关键是燃烧所有的燃料和获得失控的能量增益。负责劳伦斯利弗莫尔核聚变项目的Mark Herrmann表示,模拟试验表明,一旦NIF达到阈值,它将更容易点火。英国帝国理工学院惯性聚变研究中心副主任Steven Rose表示,他们正在摆脱传统设计,开始尝试新事物。

长期以来,核聚变一直被认为是一种无碳能源,它以现成的氢同位素为燃料,不会产生长期存在的放射性物质,但这仍然是一个遥远的梦想。

NIF和其他惯性聚变装置不同,它更像一个内燃机,通过小型燃料芯块的快速爆炸产生能量。点火试验的前3年里,每一次发射只产生约1千焦的能量,低于x射线脉冲注入胶囊的21千焦能量,也远低于最初激光脉冲的1.8兆焦能量。

点火失败后,NIF研究人员加强了诊断仪器,增加了更多的中子探测器,以便从三维角度看到核聚变反应发生的地方。他们还调整了四束激光,在内爆后瞬间产生高功率、超短脉冲,以蒸发目标附近的细导线。这些导线就像一个x射线闪光灯,能够在燃料压缩时探测到它。

研究人员用更敏锐的视觉追踪到了爆炸燃料丸的能量泄漏。其中一个发生在发射前,一根细管向太空舱注入燃料的地方,其他泄漏可以追溯到胶囊的塑料外壳。因此,研究人员改进了制造工艺,以消除缺陷。美国罗彻斯特大学激光能量学实验室Mingsheng Wei表示,这种改进后的诊断方法“确实能帮助科学家了解需要改进哪些方面”。

经过不断改进完善,NIF已多次达到接近60千焦的产量。但是Herrmann表示,最近美国物理学会等离子物理分会讨论的一个例子已经超过了这个数字,预计将在100千焦左右。 Herrmann认为,团队还需要尝试更多的技术,每一种技术都可以将温度和压力提高到足以维持等离子体燃烧和点火的水平。如果还不够,那下一个选择将是提高激光能量。NIF研究人员已经对其中四个束线进行了升级测试,并成功地获得了能量提升,如果升级应用到所有束线上,将使整个设备接近3兆焦耳。