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美国可控核聚变点火成功!中国还需要多久?

开头

最近美国能源部开了一场发布会,美国科学家宣布可控核聚变取得重大突破,首次实现了聚变反应的净能量增益,也就是产生的能量比注入的能量还要多。这是人类有史以来第一次实现了核聚变反应的净能量增益。

这个消息让一直进展缓慢的核聚变领域眼前一亮,许多大大小小的媒体那是争相报道,说是人类迈向可控核聚变的历史性阶段。

好家伙!中沙两国一挖美元墙角,美帝那边的科技就突破了,老美怕是掐着点来的吧?

那咱们中国不是还有个东方超环核聚变装置,跟美国相比到底如何?

美国进展

根据官方介绍,美国这次的核聚变实验采用的是惯性约束,而中国的东方超环是托卡马克装置,属于磁约束。

中美两国不同的核聚变装置,正是现在人类实现可控核聚变的两种不同技术路线。

先看美国的激光惯性约束,它是用多束超高能激光同时轰击一个微小的核燃料,使其坍缩内爆,从而产生核聚变反应。

可以简单理解,核燃料就是一个气球,如果想要挤压气球内部的空气,最好的方法就是从四面八方一起用力,使其体积被压缩。

而如果仅仅从两个方向使劲,气球就会变形,其内部的挤压效果就大打折扣。

这种办法好是好,但要求也非常高,不仅每个激光器对准的方向要控制的异常精确,同时也需要在极短的时间内严格控制每个激光器的能量大小。

比如美国这次实现突破的国家点火装置,使用的就是这种方式。

发生聚变反应的靶室由192台激光器组成,再加上激光生成装置,整个点火实验室有三个足球场那么大。

在众多激光束进入靶室后,会汇聚到一枚直径仅有 2 毫米的核材料胶囊里面,从而引发核聚变反应。

据相关资料显示,美国这次的聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量,大约是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%。

也就是说,输出能量大于输入能量,实现了盈余。这个指标也称Q值,Q值大于1至少说明人类的可控核聚变是可以实现的。

这么看,美国这次的成果十分令人兴奋,但同时造价也高,整套设备下来共花了35亿美元,都快赶得上一艘航母的造价了。

那这是不是预示着,可控核聚变的商业化很快就要来了?严格来看还早的很,说50年都不夸张。

刚刚提到的能量增益仅仅发生在靶室,美国这次的实验是使用422MJ的总电能,激发192台激光器,最终输入2.1MJ的激光,产生了2.5MJ的聚变能。

这么来看,能源转换效率只有0.5%,毕竟激光器本身的效率只有1~5%。

再者,美国这次的国家点火装置,重复频率很低,很难做到稳定长时间发电,两个反应之间间隔的时间都是以小时来计算,毕竟每次都需要重新安装靶丸,重新点火,无法做到持续添加燃料。

而且以现在的储能技术,也很难瞬间储存这么高的能量。

再加上氘氚聚变能量的很大一部分,是以中子动能的形式释放的,而中子不带电,在大多数介质中的射程都很长,且相对不易将其能量转换为我们可使用的电能。

这不,听说在试验过程中,一些检测设备还受到了不同程度的破坏,数据到底怎么样还不好说。

中国进展

看完了美国的,再来看看中国的。

咱们主要走的是磁约束的技术路线,就是用磁场来控制氢的同位素 - 氘和氚,使之能够成等离子体,并加热至1亿摄氏度左右,使其相关碰撞,继而发生聚变,并释放能量。

著名的托卡马克装置就是采用这种方式,哦,对了,中国的东方超环EAST也是基于托卡马克装置改进完成的,它是由我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置,且多次创造出等离子体运行的世界纪录。

比如2021年5月,我们实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒,和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行,创造了新的世界纪录。

同年12月,又实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间。

相较于惯性约束,磁约束来得简单粗暴,磁场越大越好,装置尺寸越大越好,这两项指标只要舍得充值,性能就成倍提升而且无上限。

而惯性约束对激光的对称性有着极高的要求,高度对称性的实现有时候看运气,成功的点火试验想要复制一遍都很难,更别说提升性能了。

这个时候,有朋友可能还是很纠结,看到美国那边已经出成绩了,担心咱们中国的技术路线会不会压错宝。

别急,其实在激光惯性约束的路线上,咱们中国早就在研究了。

比如由中国科学院和中国工程物理研究院合办的高功率激光物理联合实验室,就制造出来多款激光核聚变装置,并取名为神光系列。

从1985年的神光第一代开始,到2020年神光第四代的诞生,我们的技术也是越来越完善,激光束跟功率也越来越强。

尤其是第四代产品,它包含高达288路的高功率激光束,其总输出功率为2MJ,与美国那个2.1MJ相比,差不了多少,这标志着中国在该领域已经进入世界先进行列。

虽然暂时还没有好消息传来,但美国那边有了突破性进展,至少证明这条路是可行的,我们科研人员的努力也不是白费的!

要知道老美从60年前就开始了这个项目,我们要追赶上,再加上现在的科技限制,确实还需要一点时间。

结尾

不管怎样,核聚变技术的突破是全人类的大事,只有新技术的诞生,才能开启新的经济增长点。

别在抱怨,美国这边突破了,中国咋还没有突破呢?

大家稍安勿躁,把格局放大一点,可控核聚变几乎是我们这代人能想到的最接近科幻的现实技术的圣杯了。

如果能够证明其在工程上的可行性,其力量将是无穷的。

总的来说,老美向来是尖端科技的老大,我们摸着鹰酱过河,差不了几年的。

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