核聚變

2022 年 12 月 13 日，美國能源部長(cháng)宣布能源部 (DOE) 國家實(shí)驗室取得重大科學(xué)突破：加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室 (LLNL) 國家點(diǎn)火裝置 (NIF) 項目進(jìn)行的核聚變實(shí)驗难菌，首次實(shí)現了凈能量增益葫丈。

什么是核聚變梆蚯？

核聚變是為我們光和能量的主要來(lái)源（太陽(yáng)以及其他恒星）提供動(dòng)力的一種反應。在這一反應中，兩個(gè)（或更多）原子核（包括質(zhì)子和中子）聚合形成更大的原子核，同時(shí)釋放出能量。釋放能量的原因是產(chǎn)生的原子核的總質(zhì)量小于聚合前原子核的質(zhì)量和。剩余質(zhì)量轉變?yōu)槟芰浚捎糜谶\行渦輪發(fā)電機帘靡。

例如绊怠，當氘和氚（氫的兩種同位素）聚合形成氦核時(shí)，會(huì )釋放多余的中子殴蹄，以及更重要的可以?xún)Υ娴哪芰浚ㄒ?jiàn)圖 1）壮曾。

在地球上通過(guò)制造恒星來(lái)產(chǎn)生能量

科學(xué)家們試圖在地球上重現核聚變，即宇宙中生成恒星的反應，因為這種反應可以產(chǎn)生巨大的能量。

要發(fā)生核聚變啦旁，必須達到恒星級的溫度（即 1 億度以上）剥滥。這個(gè)過(guò)程迫使帶正電的原子核在約束載體內形成等離子體，通過(guò) 1000 km/s 左右的速度獨立運動(dòng)呀枢，克服相互之間的排斥力并聚合在一起^[1]揭璃。

從理論上講鄙琅，如果實(shí)驗室的受控核聚變反應所產(chǎn)生的能量能夠在全球范圍內得到利用和有效的儲存，那么這項技術(shù)就可以徹底改變我們?yōu)榧彝ネ迓⑵髽I(yè)和車(chē)輛運輸提供能量的方式丹莲。該反應非常高效，1 kg 聚變燃料可以提供與 1000 萬(wàn)千克化石燃料相同的能量^[2]。

對清潔能源的迫切需求

自 19 世紀以來(lái)，地球溫度上升了約 1.1 °C苫型。由于化石燃料能源燃燒產(chǎn)生溫室氣體宝惰，二氧化碳的濃度增加了 50%^[3]霹肝。

科學(xué)家們警告叉寂，到 22 世紀初，平均氣溫升高不應超過(guò) 1.5 °C^[4]。然而，聯(lián)合國 2022 年 10 月的一份報告預測，到 2100 年地球溫度將上升至少 2.4 °C作儿，因此迫切需要在全球范圍內推行清潔能源^[4]博肋。

新型清潔能源解決方案

該領(lǐng)域的科學(xué)家強調糖钓，核聚變可能是產(chǎn)生清潔能源同時(shí)減輕全球變暖影響的解決方案谐舟。這一過(guò)程不依賴(lài)于化石燃料提供的能源赠乞，也不會(huì )產(chǎn)生溫室氣體污染物或長(cháng)壽命的放射性廢物阿裳。此外，聚變反應堆的材料還可以在 100 年內回收或再利用。

從本質(zhì)上講忘分，核聚變能夠為我們提供一種可以掌控的清潔拗炎、低價(jià)能源，這種能源有朝一日也許能夠支持我們的日常生活符姓、經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展馍晴。

LLNL 取得的里程碑式成就

2022 年 12 月 5 日瓣腰，LLNL 國家點(diǎn)火裝置 (NIF) 團隊進(jìn)行了一次核聚變實(shí)驗淀绵，取得了前所未有的里程碑式成就：越過(guò)能量平衡點(diǎn)鱼填，這意味著(zhù)實(shí)驗產(chǎn)生的能量超過(guò)了啟動(dòng)該過(guò)程所需的能量撰洗。

這一突破代表了一個(gè)歷史性的時(shí)刻拧篮；由于化石能源在全球范圍內的持續使用，世界面臨著(zhù)高昂且不穩定的能源價(jià)格以及全球變暖帶來(lái)的前所未有的影響。

NIF 的發(fā)展和測試歷經(jīng) 50 多年提福，該裝置引領(lǐng)國際激光聚變科學(xué)研究着阿，其他類(lèi)似實(shí)驗裝置有日本的 FIREX 和中國的 SG-III 等。

突破性實(shí)驗

在最近的一項實(shí)驗中，將一束激光分成 48 個(gè)光學(xué)通道但软，然后放大并再次分成 4 個(gè)通道，產(chǎn)生 192 路光束枪迅。

用 192 束激光加熱并壓縮氘氚靶丸，產(chǎn)生類(lèi)似太陽(yáng)中心的溫度。丸體外部氣化，變成等離子體滤重，在幾分之一秒內內爆，速度高達 400 km/s (250 mi/s)。隨后的“擠壓”使得壓縮“燃料”的密度變得極高，從而發(fā)生了核聚變。

當聚變反應釋放的能量超過(guò)提供給靶丸的能量時(shí)，則出現了凈能量增益。在該實(shí)驗中违归，研究人員使用 2 MJ 的能量產(chǎn)生了 3 MJ 的能量。

安捷倫的貢獻

安捷倫與 LLNL 等離子體電極普克爾盒 (PEPC) 團隊合作玛贝，該團隊開(kāi)發(fā)了大孔徑等離子體電極普克爾盒技術(shù)，這是一種特殊的光學(xué)開(kāi)關(guān)，是減小 NIF 所需尺寸的關(guān)鍵技術(shù)之一。

這種光學(xué)開(kāi)關(guān)阻止每束激光離開(kāi)主放大器，并允許 192 個(gè)光束通過(guò) 4 次，利用特殊的光學(xué)元件進(jìn)一步放大并調節每個(gè)光束的能量抠勉，然后在通往靶丸腔室的路徑上將其再次釋放。清潔、穩定的真空是這部分 NIF 激光實(shí)驗的必要條件。

“我們與 LLNL 合作，產(chǎn)生并維持所需的實(shí)驗條件絮宁。其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的是我們的渦輪分子泵。為了實(shí)現真空，PEPC 團隊使用了 48 臺安捷倫 80 L/s 渦輪分子泵萄憾，確保正常運行并維持理想的壓力水平。”安捷倫科技公司客戶(hù)經(jīng)理 Ed Gordon 說(shuō)道讽六。

推動(dòng)研究領(lǐng)域發(fā)展

現在凉馆，LLNL 研究團隊已經(jīng)成功展示了核聚變實(shí)驗的凈能量增益，但仍有一些技術(shù)難題需要克服，例如：

1. 重復實(shí)驗 — 如果反應條件不最優(yōu)，則無(wú)法重復
2. 進(jìn)一步優(yōu)化所有反應條件楔蹦，同時(shí)確保所有組件足夠堅固，能夠耐受發(fā)生核聚變所必需的極端環(huán)境
3. 從核聚變反應中產(chǎn)生并提取更高的能量輸出

LLNL 以及相關(guān)研究實(shí)驗室的下一個(gè)研發(fā)階段很可能涉及重復和方法開(kāi)發(fā)晶识，目的是實(shí)現更高的能量增益，從而在長(cháng)期商業(yè)可行性方面取得進(jìn)展。在真空技術(shù)支持方面褂删，安捷倫的產(chǎn)品和專(zhuān)業(yè)技術(shù)將繼續在推動(dòng)這一研究領(lǐng)域的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

“無(wú)名英雄”真空泵

學(xué)術(shù)、政府及研究業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理 Mauro Audi 表示：“我們非常自豪撑君，安捷倫真空泵在本世紀最令人驚喜的實(shí)驗的成功中發(fā)揮了重要作用：發(fā)現希格斯玻色子，探測引力波，以及現在的可控核聚變毡们。”

在許多方面，真空泵是近年來(lái)極具吸引力和創(chuàng )新性的研究實(shí)驗的無(wú)名英雄，安捷倫很榮幸能夠參與其中并發(fā)揮作用制涩。