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NIF 的核融合突破?唔,話不能這樣說…

2013/10/14 | | 標籤:

美國聯邦政府關門大吉後,有個意料之外的效應:在政府實驗室找不到能幫忙回答問題的新聞官,以便對某些令人困惑、在網路上引發戰火的報導提供真實性檢查。例如當 BBC 新聞網站的某篇報導開始星火燎原時,他們就能派上用場。那篇報導說,加州 LLNL 的 National Ignition Facility (NIF) 通過了「核融合反應的里程碑」。NIF 以世上能量最強的雷射系統,使包含某種氫燃料形態的微小珠子因極大的溫度與壓力而粉碎。目標是讓氫原子核融合成氦原子,同時釋出能量。

BBC 的報導說,在上個月的某次實驗期間,「透過核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量 — 這是在世上所有的核融合設施中,第一次辦到。」這促使一堆更加熱情奔放的媒體頭條宣稱「核融合大突破」。在正常情況下,NIF 的新聞官會告訴記者,所訊問的實驗顯然有重要的進展,不過那不是眾所期盼的大突破。

一份來自 NIF 主任 Ed Moses 的備忘錄( Science 期刊編輯部已經看過)在 9/29 送抵合作實驗室,敘述有一起核融合發射(fusion shot)發生在 9/28 的上午 5:15。它產生 5 x 10^15 個中子,比先前所有的發射多出 75%。中子是核融合反應的產物,所以它們被當成一種是否成功的測量方法。

對核融合實驗來說,NIF 將 192 道雷射光束自四面八方導向此核融合標靶,在一次脈衝發射中,包含 1.8 MJ 的能量。標靶的外部是一層大小如鉛筆橡皮擦頭這麼大的薄薄金屬,稱為空腔(hohlraum),其中央安置一個大小比胡椒粒還小、包含核融合燃料的塑膠球。核融合燃料是一種氫同位素氘與氚的混合物,稱為 DT。紫外光雷射透過二端孔洞射入 hohlraum 中,不過沒有直接射到燃料膠囊上,而是打中 hohlraum 的內壁,並將之加熱到發出強烈的 X 光束。X 光導致膠囊爆炸,驅使燃料向內朝中心前進。

如果所有東西都按照計畫進行,燃料 — 被壓縮到密度為鉛的 100 倍 — 將「點燃」核融合反應,不過這種由雷射驅動的內爆(implosion)不足以提供足夠能量燒光所有 DT 燃料。某些來自核融合反應的能量需用來維持燃燒。DT 核融合反應製造二種產物:氦原子核(即α粒子),以動能形態攜帶 20% 的反應能量;另一產物中子則攜帶其餘能量。為了要使核融合能成為一種能源,α粒子必須要有效地加熱燃料以維持反應進行。

為了辦到這件事,NIF 研究者以雷射脈衝的「形狀」來進行實驗,使其一開始就能夠傳遞更多能量。在 9/29 備忘錄中,Moses 表示,這些改良使α粒子加熱有了成倍的能量產出 — 「一個達到『點燃』所需之機制的明確示範,」 他寫到。「點燃」是達到一種自給自足、α加熱的核融合燃燒的目標,產生比雷射輸入還要更多的能量。Moses 亦表示,能量產出(由中子所攜帶,據估計達到 14 KJ)比所吸收、用以使膠囊內破(implode)的 X 光能量還要多,一個他稱之為「科學上的損益平衡」的里程碑。

「那是一個好實驗,」 Michael Campbell 說,NIF 的前主任,他現在任職於維州的 Logos Technologies。「從科學的觀點來看,標靶運作良好,足以讓α粒子加熱某些燃料。」 在核融合成為一種能源之前的漫長過程中,Campbell 對於過於誇大每一階段感到有所顧慮。上個月實驗中的能量產出離「點燃」(ignition)仍有好大一段距離,這個目標 — 銘刻在 NIF 的機關名稱中 — 是該單位在一年之前就預期要達到的目標。NIF 目前位於三年計畫的中期,得要明確表態為何它正奮力朝此目標邁進。「如今這是一個有科學根基的計畫。他們正試圖確認某些障礙以獲得「點燃」,」 Campbell 說。

我們對於「點燃」的需求是,能量輸出應超過來自雷射的輸入,換言之,增益(gain,輸出除以輸入)應大於 1。 NIF 的 1.8 MJ 雷射輸入相當於一輛 2 公噸卡車以 160 km/h 速度行使的動能。反應輸出 — 14KJ — 相當於一顆棒球在那輛卡車一半速度下飛行時所具有的動能。從數字上來說,增益為 0.0077。這個實驗 「為良好且必要的一步,不過離你能提供能量給人使用還有很長一段距離要走,」 Campbell 說。

※ 相關報導:

控制核融合 美國家實驗室大突破
核融合+核分裂→供獻給無碳能源的未來
NIF 創造歷史性的500 兆瓦雷射

本文譯自:Fusion “Breakthrough" at NIF? Uh, Not Really …,原發表於Only Perception

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另附上「核能流言終結者」共同創辦人黃士修先前針對BBC該則「里程碑」報導的評論

首先,(BBC)這新聞會讓人誤會人類終於達成「產出能量大於投入的能量」的狀態,那並不是新聞。讓我從頭說起吧。

國際上最知名的核融合實驗設施有二:ITER和NIF。ITER走的是比較傳統的路子,使用Tokamak式的設計,將核融合控制在環形磁線圈內。NIF則是使用上百具高能雷射光,聚焦在氫燃料球上實現核融合。

受控核融合早在幾十年前就已經實現,但是投入的能量遠遠大於產出能量。時至今日,只要你有相關的知識(主要是電解水製備重水的部分),甚至可以在家實現微型核融合反應。

投入能量和產出能量打平(breakeven),其實Tokamak式核融合早已經做到了。然而困境在於材料的耐受度不夠,無法長時間維持。至於核融合發電,只有breakeven是不夠的,淨輸出能量一定要達到夠高比例才行。因此,核工界在五十年前就喊「五十年內核融合發電商轉必能實現」,在今天仍然喊著一模一樣的口號。

回到原題來,(BBC)這個報導事實上是說,NIF使用雷射核融合的實驗,終於達成breakeven。就我個人的看法,我本來就很看好NIF的發展,我相信雷射核融合是一個充滿潛力的方法,技術的進展也很快。但是,你若問我雷射核融合能不能縮短五十年的期限?我得說:這是完全不同的問題。

但我對BBC的報導存疑,我還在等NIF的官方聲明稿

延伸閱讀:BBC該則新聞在Reddit網站上的獲得的批評

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fsj

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