无论是惯性约束核聚变还是磁约束核聚变,在跨过“点火”目标的门槛之后,作为未来能源应用的共同目标依然是实现核聚变输出能量达到输入能量的10倍、30倍、100倍增益 , 获得近乎取之不尽、用之不竭的清洁能源 。
《中国科学报》:美国能源部正在重启惯性核聚变能计划 。目前NIF取得的成果是否会使全球将更多经费投入惯性约束核聚变而非磁约束核聚变领域?
张杰:对于目前世界几个全力推进可控核聚变研究的大国来说,磁约束和惯性约束核聚变这两条路线依然会同时推进 。
10多年前,科学界、国家科技决策层经过共同讨论 , 最终达成了我国加入国际热核聚变实验堆计划(ITER)的共识 。从目前看,中国对ITER的贡献已远远超过了预期 , 这足以说明我国对磁约束核聚变路线的重视 。不管是ITER还是东方超环,这种已经形成广泛共识的项目都不会因为NIF这次成果而停下来 。当然 , 我国对惯性约束聚变研究的努力一定会因此得到激励 。
聚变输出能量或可非线性提高
《中国科学报》:关于输入能量,之前NIF一直输入的是1.9兆焦,但这次提升到了2.05兆焦 。2.05兆焦是否是目前全世界能输出的最大激光能量?
张杰:NIF是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统 , 长215米、宽120米,大约相当于3个足球场的面积 。从1997年开工到2009年正式落成,其总计投入在35亿美元以上,如果加上过去10多年在相关研究上的投入,总经费达数十亿美元之多 。
由于这次实验的重要性,NIF这一轮实验中使用的驱动激光能量从1.9兆焦提高到2.05兆焦,看似提高不多,但其实已经逼近NIF激光能量的最大输出极限 。未来,他们还会进一步努力提高驱动激光的能量,希望在更高的驱动激光能量下获得更好的结果 。
《中国科学报》:发布会上提到,NIF在2022年9月进行了不同的设计 。据您所知 , 他们在设计上做了怎样的调整?
张杰:这次NIF实验将2.05兆焦的激光能量通过192路激光束聚焦到2毫米的重金属黑腔内,把激光能量转化为均匀的X射线辐射,X射线再对氘氚靶丸进行压缩和加热 , 从而将燃料靶丸压缩到太阳内核的温度和压力,实现聚变点火 。
在2021年8月8日之前,他们的设计方向主要是对靶进行优化,包括空腔、氘氚靶丸及烧蚀层等 。优化的结果是8月8日取得了破纪录的聚变反应——产生了1.35兆焦耳的能量,约为输入激光能量的70%,是世界上最接近净能量增益的一次 。
此后,他们将优化设计的方向调整到了辐射场的均匀度上,并取得了新进展 。激光束和激光束之间的能量转移原本是一个副作用,现在他们掌握了把副作用变成有利效应的方法,可以让内部辐射场均匀化且均匀度好于1%,这应该是他们这次取得的最大技术进步 。同时,经过对激光能量的进一步提高以及对靶丸烧蚀层厚度的微调,2022年12月5日,NIF终于实现了净能量增益的聚变“点火” 。
《中国科学报》:按照NIF目前的技术设计,有没有可能进一步提高能量增益?
张杰:在这次新闻发布会上 , 他们提到“要进一步提高驱动激光的能量,希望能够获得更大的聚变能” 。从这句话里能够感觉到,他们对于用同样激光能量获得更大聚变能量输出是有所保留的 。
但可以确认的是,假如这个结果可以重复的话,之后如果他们进一步提高驱动激光能量,我相信聚变输出的能量会进一步提高,而且很有可能不是线性提高,而是非线性提高 。
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