在尋求核融合能源的挑戰中,科學家們已突破一項重大的里程碑。第一次,一核融合反應達到了放出 1.3 百萬焦耳megajouleMJ)的紀錄,且這也是第一次,這個能量超過了用來觸發反應的燃料所吸收的能量。

重大突破

雖然仍然還有些路要走,但是這項結果代表了過去相關領域上的重大改善:比起幾個月之前所進行的實驗結果大了 8 倍,還有比起在 2018 年所進行的實驗大了 25 倍。這是個很大的成就。

美國加州勞倫斯利福莫耳國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的國家點燃實驗設施(National Ignition Facility)的物理學家們將會遞交論文來進行同行評審。

勞倫斯利福莫耳國家實驗室的主持人金·布迪爾博士(Kim Budil)說:「這個結果,是慣性局限融合(inertial confinement fusion,ICF)研究上歷史性的一大步。基本上,這替我們重要國家安全任務的探索與前進打開了嶄新的領域。這也是對這個團隊、以及數十年來堅信不移地追求此目標的許多研究者們的創新、智慧、承諾與勇氣的證明。對我而言,它展示了這些國家實驗室最重要的角色之一-也就是在應對最大且最重要的科學挑戰上不懈的承諾,以及找出其他人可能會因為困難而卻步的解答。」

慣性局限融合原理

ICF 包含了要創造出某個像一顆小恆星的物體。它是從包含氫較重的同位素-氘(deuterium)跟氚(tritium)的燃料膠囊開始。這個燃料膠囊被放置於一個稱作環空器(hohlraum)的中空金腔室中,尺寸大約是一支鉛筆橡皮擦的大小。

接著,192 束高功率雷射光會照到環空器上,在此處它們會被轉成 X 光。這些 X 光會內爆燃料膠囊,將其加熱並壓縮至可比擬恆星中心狀態的情況,也就是超過攝氏 1 億度的高溫、以及大於 1000 億地球大氣壓力的壓力,這會讓燃料膠囊轉成小型的電漿團。

然後,就如同氫在主序星(main-sequence star)的中心融合成更重的元素一樣,氘與氚也會在燃料膠囊中進行同樣的事。整個過程僅在幾十億分之一秒中發生。研究目標是要達成點燃(ignition),也就是核融合過程所產生的能量超過總輸入能量的時點。

實驗結果

在 2021 年 8 月 8 號所進行的實驗差一點點就達到標準。來自雷射光的能量是 1.9 MJ。但是這仍然非常令人興奮,因為根據團隊的測量,比起在融合過程中所產生的能量,燃料膠囊吸收的能量少了 5 倍多。

團隊說,這個結果來自於精煉實驗的心血,包括環空器與膠囊的設計、改善過的雷射準確度、新診斷工具、以及用來增加膠囊內爆速度的設計變動,這能夠將更多能量傳送到融合發生的電漿熱點。

美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的主持人托馬斯·梅森博士(Thomas Mason)說:「在實驗室中獲得熱核燃燒的實驗機會,是將近 50 年來科學與技術努力的頂峰。這讓檢視在高能量密度領域理論與模擬的實驗變得比以往更為紮實,並將在應用科學及工程領域取得根本性成就。」

未來目標

研究團隊計畫要進行接續的實驗,來檢視他們是否能夠重製結果,以及更詳細地研究實驗過程。研究結果亦會替實驗研究打開新道路。

物理學家們也希望研究出如何進一步增加能源效率。當雷射光在環空器中轉換成 X 光時,很多能量會喪失。很大比例的雷射光反而轉成加熱環空器的牆。解決這個問題將帶我們往融合能源更近一大步。

而同時間,研究人員們都非常地興奮。麻省理工學院(MIT)電漿科學與融合中心(Plasma Science and Fusion Center)的物理學家約翰·法蘭傑博士(Johan Frenje)說:「在實驗室中達到點燃依然是此時代的科學大挑戰之一,而此結果是邁向達成該目標的重要一步。」

「它亦使探索一個根本上很新且實驗上極度難以達成的領域變得可能,進一步使我們了解融合點燃與燃燒的過程,這對驗證與增強我們的模擬工具,以支持庫存管理很重要。此外,這個結果很具歷史性,因為它代表了數個十年來的努力、創新、智慧、大量的團隊合作、以及不懈的專注,以達成這個終極目標。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2021, December 3). Finally, a Fusion Reaction Has Generated More Energy Than Absorbed by The Fuel. Futurism
  2. Callahan, D. A., (2021, November 8). Session AR01: Review: Creating A Burning Plasma on the National Ignition Facility. 63rd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-a-fusion-reaction-has-generated-more-energy-than-absorbed-by-the-fuel(圖:LLNL/Damien Jemison)
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