科學家成功創造「燃燒電漿」為自維持核融合鋪路

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

燃燒電漿是實現自維持(self-sustaining)核融合能源所需要的;達到適當溫度與壓力的電漿,是核融合能源的關鍵要素之一,能實現可觀的能量增益...

美國勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人員成功創造了讓核融合燃料自體發熱所需的條件,稱之為燃燒電漿(burning plasma),這是掌握核融合能源的一個關鍵步驟。

燃燒電漿是實現自維持(self-sustaining)核融合能源所需要的;達到適當溫度與壓力的電漿,是核融合能源的關鍵要素之一,能實現可觀的能量增益。Livermore的研究人員歷經數十年的核融合研究之後,宣稱在實驗室環境下發現了燃燒電漿的狀態。該測試是在美國國家點火設施(National Ignition Facility,NIF)所進行;該機構配備了一套雷射,能以脈衝形式輸出最高達1.9兆焦耳(megajoules)的能量,尖峰輸出值可達500太瓦(terawatts)。

由物理學家Alex Zylstra、Omar Hurricane等人在《Nature》期刊共同發表的論文,除了描述以上技術進展,還包含有關於靶材(target)設計的配套論文。Livermore研究人員利用NIF在一個輻射空腔(radiation cavity)環境下產生X光,其放射是用以透過間接過程中的X光燒蝕壓力,來引導一個燃料容器。在內爆(implosion)過程中,採用機械性技術對氘-氚(deuterium-tritium)燃料進行壓縮和加熱。

根據論文作者的說法,產生核融合反應的實驗都是利用大量的「外部」加熱方式來產生電漿,而他們的系統號稱是首度證實核融合過程本身能提供大部份熱能。

 

間接驅動慣性約束(inertial confinement)核融合方法示意圖。

(來源:《Nature》)

 

「在NIF進行的核融合實驗成果,為商用核融合能源指引了道路;」核融合產業協會(Fusion Industry Association)執行長Andrew Holland指出,將有越來越多會員公司「以NIF的實驗成果為基礎,加速朝著以核融合作為能量來源的方向邁進。」

要讓核融合發生作用,燃料必須維持適當的功率平衡,因為許多因素會導致電漿損耗能量。相較之下,核融合和內爆壓縮會加熱電漿。核融合是一個非線性過程,科學家正努力開發一套所產生能量高於消耗之能量的系統,這也是一個商用反應爐的基本條件。點火克服了洩漏過程,讓核融合反應幾乎可以自我維持。

將反應器點火需要將核融合燃料加熱到很高的溫度和壓力,並且把所產生的電漿侷限到足夠長的時間。自1950年代開始的相關研究,被形容為「在地球上打造一顆恆星」,要把核融合轉換為可商用的能源,已經被證明是難解的任務。科學家探索了多種加熱和侷限電漿的方法,其中最常見的兩種分別是「慣性」(inertial)方法──燃料被自身的慣性所侷限,以及「磁性」(magnetic)方法──即透過磁場來侷限電漿中的帶電粒子。

NIF利用強力雷射來加熱並壓縮一個小容器中的氫燃料──該雷射的192道光束聚焦於一個胡椒粒大小,裝有氘氣與氚氣的的膠囊,讓燃料被壓縮至鉛的100倍之密度,並使燃料溫度大幅上升至攝氏1億度;當熱被施加於靶材,就會產生電漿。

在Livermore研究人員最近的實驗中,他們在一個封裝了氫、氘與氚同位素的微小黃金圓筒中,聚焦192道雷射光束產生10奈秒(ns)的爆炸,來啟動整個過程。雷射光束蒸發黃金、產生X光,將膠囊從內部爆破並產生核融合反應。所產生的核融合反應釋出許多種粒子,包含「α粒子」,它們與環繞的電漿互動,進一步地將電漿加熱。在一個自維持反應,或點火過程中,被加熱的電漿釋出更多的α粒子,因此產生更多的熱能。

當核融合反應而非雷射點火成為電漿升溫的主要熱源,該熱源提供了自維持核融合所需的能量。研究人員指出,他們的實驗是首次產生燃燒電漿,而且所產生的核融合能量高於壓縮和加熱核融合燃料時消耗的能量。以往的嘗試因受限於控制電漿形狀的挑戰,在能源生產過程中僅實現淨增益。因此這些研究人員宣稱,他們證實了一條能提高核融合性能水準的途徑。

不過,在產生燃燒電漿的過程中仍然有能量被浪費掉。NIF的目標之一,是促進和維持核融合反應以產生能量;實現電漿燃燒是有待克服的障礙之一。要實現核融合能源的商業化,對慣性侷限核融合的進一步研究勢在必行;Livermore研究人員表示,實現燃燒電漿能有助於科學家對整個過程有更充分的了解。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年3月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Livermore Reports Burning Plasma for Fusion Energy,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

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