LCF的工作原理是什么

相比之下，從核裂變中提取能量相對較快。1938年在德國發(fā)現(xiàn)了鈾裂變，僅僅4年后的1942年，第一座核反應“堆”就在芝加哥建成。

目前，全世界運行的裂變反應堆大約有440座，合計可以發(fā)電約400千兆瓦，其碳排放量為零。盡管這些裂變發(fā)電廠有很大的價值，但也有相當多的缺點。其使用的濃縮鈾燃料必須安全存放。類似烏克蘭切爾諾貝利和日本福島的破壞性事故會使很多地區(qū)變得不適宜居住。裂變廢物的副產(chǎn)品也需要經(jīng)過安全處置，而且其放射性會持續(xù)數(shù)千年。因此，政府、大學和企業(yè)長期以來一直希望通過聚變來解決這些問題。

美國國家航空航天局（NASA）也是其中之一。NASA的外太空旅行的能源需求很大，包括月球和火星探測器以及載人任務。60多年來，光伏電池、燃料電池或放射性同位素熱電式發(fā)電機（RTG）一直在為航天器提供動力。RTG依賴的是非裂變钚-238衰變時產(chǎn)生的熱量，而且經(jīng)證明它的壽命極長，例如，“旅行者”號探測器都使用了這種發(fā)電機，并且在發(fā)射近45年后依然在運行。但這些發(fā)電機將熱能轉化為電能的效率約為7.5%?，F(xiàn)代航天器需要的功率超過了一般尺寸RTG所能提供的功率。

晶格約束聚變（LCF）有望成為一種替代方案，這是一種核燃料被束縛在金屬晶格中的聚變。這種約束會促使帶正電的原子核發(fā)生聚變，因為導電金屬的高電子密度會降低兩個原子核在靠近時相互排斥的可能性。

比如，我們與克利夫蘭NASA格倫研究中心的其他科學家和工程師正在研究這種方法未來是否能為火星表面運行的小型機器人探測器提供足夠能量。LCF將消除對濃縮鈾等裂變材料的需求，這些材料的獲取成本高且難以安全處理。LCF有望比其他利用核聚變的策略更便宜、更小、更安全。隨著這項技術的成熟，它也可以在地球上找到用武之地，比如用作單個建筑的小型發(fā)電廠，這將減少對化石燃料的依賴，提高電網(wǎng)的彈性。

長期以來，物理學家一直認為聚變應該能夠提供清潔的核能。畢竟太陽就是這樣產(chǎn)生能量的。但是太陽具有巨大的體積優(yōu)勢，其直徑近140萬公里，其等離子體核心的密度是液態(tài)水的150倍，且溫度高達1500萬攝氏度。太陽利用熱量和引力將粒子凝聚在一起，以此保持聚變?nèi)紵?/p>

在地球上，我們?nèi)狈σ赃@種方式生產(chǎn)能源的能力。要實現(xiàn)凈正能量輸出，聚變反應堆需要達到燃料顆粒密度、約束時間和等離子體溫度的臨界水平，這些條件以創(chuàng)造者約翰?勞森（John Lawson）的名字命名為“勞森判據(jù)”（Lawson Criteria）。到目前為止，還沒有人能實現(xiàn)。

聚變反應堆通常使用兩種不同的氫同位素：氘（一個質子和一個中子）和氚（一個質子和兩個中子）。它們會聚變成氦核（兩個質子和兩個中子，這樣的氦核也被稱為“阿爾法粒子”），剩下一個未結合的中子。

現(xiàn)有聚變反應堆依靠產(chǎn)生的阿爾法粒子及其產(chǎn)生過程中釋放的能量來進一步加熱等離子體。然后，等離子體將驅動更多的核反應，最終目標是提供凈功率增益。但其中也有局限性。即使在反應堆能夠產(chǎn)生的最熱的等離子體中，大多阿爾法粒子也會跳過額外的氘核，而不會傳遞太多能量。聚變反應堆要成功，就需要在阿爾法粒子和氘核之間產(chǎn)生盡可能多的直接碰撞。

20世紀50年代，科學家們制造了各種磁約束聚變裝置，其中最著名的是安德烈?薩哈羅夫（Andrei Sakharov）的托卡馬克和萊曼?斯皮策（Lyman Spitzer）的仿星器。撇開設計細節(jié)上的差異不談，它們都在試圖做一件幾乎不可能的事：將氣體加熱到足以使其變成等離子體的溫度，并對其進行足夠的磁力擠壓，從而引起聚變，且不讓等離子體逃逸。

20世紀70年代出現(xiàn)了慣性約束聚變裝置。這種裝置使用了激光和離子束在直驅內(nèi)爆中壓縮目標表面，或者在間驅內(nèi)爆中為內(nèi)部目標容器提供能量。與磁約束反應可以持續(xù)數(shù)秒甚至數(shù)分鐘（甚至可能持續(xù)1天）不同，慣性約束聚變反應在目標解體前持續(xù)不到1微秒就結束了。

這兩種裝置都可以產(chǎn)生聚變，但到目前為止，它們無法產(chǎn)生足夠的能量來抵消啟動和維持核反應所需的能量。換言之，輸入的能量大于輸出的能量。結合了這兩種方法的“磁慣性聚變”面臨著同樣的問題。

當前的聚變反應堆也需要大量氚作為其燃料混合物的一部分。氚最可靠的來源是裂變反應堆，這在一定程度上違背了使用聚變的初衷。

這些技術的基本問題在于，要克服庫侖勢壘，即帶正電的原子核相互排斥的自然趨勢，反應堆中的原子核需要有足夠的能量，也就是足夠熱。由于庫侖勢壘，聚變原子核的聚變截面非常小，這意味著兩個粒子聚變的概率很低。我們可以將等離子體的溫度升高到1億攝氏度來加大橫截面，但這需要巨大努力來約束等離子體。就目前的情況來看，在投資數(shù)十億美元和數(shù)十年的研究之后，這些我們稱之為“熱聚變”的方法依然有許多需要改進之處。

在地球上實現(xiàn)熱聚變確實面臨巨大的障礙?？梢韵胂?，在航天器中面臨的障礙會更大，因為航天器無法攜帶托卡馬克或仿星器。裂變反應堆被視為一種替代方案，2018年，NASA在內(nèi)華達國家安全區(qū)使用一個紙巾卷大小的鈾-235堆芯成功對Kilopower裂變反應堆進行了測試。Kilopower反應堆可以產(chǎn)生高達10千瓦的電力。其缺點是它需要高濃縮鈾，會帶來額外的發(fā)射安全問題，而且這種燃料成本高昂。

即使傳統(tǒng)的聚變方法沒有希望取得成功，但聚變?nèi)匀豢梢园l(fā)揮作用。LCF小巧、輕便、簡單，可用于航天器。

LCF的工作原理是什么？上文所述的氫的同位素氘，其原子核中有一個質子和一個中子。氘化金屬（在我們的實驗中是鉺和鈦）已經(jīng)充滿了氘或被剝離了電子的氘原子（氘核）。這是可能的，因為金屬天然地存在于一個規(guī)律間隔的晶格結構中，這就在金屬原子之間創(chuàng)造了同樣規(guī)律的凹槽，以便氘核嵌套。

在托卡馬克或仿星器中，熱等離子體的密度限制為每立方厘米1014個氘核。慣性約束聚變裝置可以瞬間達到每立方厘米1026個氘核的密度。事實證明，像鉺這樣的金屬可以無限地以每立方厘米近1023的密度容納氘核，遠高于磁約束裝置所能達到的密度，僅比慣性約束裝置所能達到的密度低3個數(shù)量級。關鍵是，這些金屬可以在室溫下容納那么多離子。

氘核飽和金屬會形成帶有中性電荷的等離子體。金屬晶格會對氘核進行限制和電子屏蔽，使相鄰的氘核（都帶正電）無法“看到”彼此。這種屏蔽增加了更多直接碰撞的機會，能進一步促進聚變反應。如果沒有電子屏蔽，那么兩個氘核就更有可能相互排斥。

通過一個屏蔽了密集的冷氘核等離子體的金屬晶格，我們可以使用地納米電子束加速器來啟動聚變過程。電子束會撞擊鉭靶并產(chǎn)生伽馬射線，然后照射拇指大小、裝有氘化鈦或氘化鉺的小瓶。

當能量充足的伽馬射線（約2.2兆電子伏）照射到金屬晶格中的一個氘核時，氘核會分裂成組成它的質子和中子。中子可能會與另一個氘核碰撞，使其加速，就像臺球桿擊球時會使球加速一樣。然后，第二個高能氘核將經(jīng)歷以下兩個過程之一：屏蔽聚變或剝離反應。

我們在實驗中觀察到，在屏蔽聚變中，高能氘核與晶格中的另一個氘核發(fā)生了聚變。聚變反應將產(chǎn)生一個氦-3核和一個剩余中子，或一個氫-3核和一個剩余質子。這些聚變產(chǎn)物可能與其他氘核發(fā)生聚變，產(chǎn)生一個阿爾法粒子，或與另一個氦-3核或氫-3核發(fā)生聚變。每一次核反應都會釋放能量，幫助促進更多的聚變發(fā)生。

在剝離反應中，原子（比如我們實驗中的鈦或鉺）會從氘核中剝離質子或中子，并捕獲該質子或中子。鉺、鈦和其他較重的原子會優(yōu)先吸收中子，因為質子被帶正電的原子核排斥（稱為“奧本海默-菲利普斯反應”）。雖然我們還沒有觀察到這一現(xiàn)象，但理論上來說，電子屏蔽是有可能會使質子被捕獲，從而將鉺轉化為銩，或將鈦轉化為釩。這兩種剝離反應都會產(chǎn)生有用的能量。

為了確保我們的氘化鉺和氘化鈦小瓶中確實產(chǎn)生了聚變，我們采用了中子譜學。這項技術可以檢測聚變反應產(chǎn)生的中子。當氘核-氘核聚變產(chǎn)生氦-3核和中子時，該中子的能量為2.45兆電子伏（MeV）。因此，探測到2.45 MeV的中子時，我們就知道聚變已經(jīng)發(fā)生了。當時我們在《物理評論C》上發(fā)表了該項初步研究成果。

由于電子屏蔽，氘核似乎是在1100萬攝氏度下發(fā)生聚變的。但實際上，金屬晶格比這個溫度低得多，盡管氘核聚變時，它的溫度會從室溫升高一些。

總體來說，在LCF中，大多數(shù)加熱發(fā)生在直徑僅幾十微米的區(qū)域。這比磁約束或慣性約束聚變反應堆的效率要高得多，這兩種反應會將整個燃料加熱到非常高的溫度。LCF不是冷聚變，它仍然需要高能氘核，并且可以使用中子來加熱它們。但是，LCF也消除了許多阻礙其他聚變計劃成功的技術和工程障礙。

雖然我們一直使用的中子反沖技術是將能量轉移到冷氘核中的最有效的方法，但地納米產(chǎn)生中子需要大量的能量。還有其他低能方法可以產(chǎn)生中子，包括使用同位素中子源（如镅-鈹或锎-252）來引發(fā)反應。我們也需要實現(xiàn)反應的自我維持，這一點通過使用中子反射器將中子反射回晶格也許能實現(xiàn)，碳和鈹是常見的中子反射器。另一個選擇是將聚變中子源與裂變?nèi)剂辖Y合，充分利用二者的優(yōu)勢。無論如何，要提高這些晶格約束核反應的效率，我們還需要做更多的工作。

我們還通過將氘氣泵入薄薄的鈀銀合金管，并通過電解將氘裝入鈀中來觸發(fā)核反應。在后一個實驗中，我們探測到了快中子。電解裝置正在使用上述中子譜學檢測方法來測量這些中子的能量。根據(jù)能量測量結果，我們將了解是哪種核反應產(chǎn)生了這些能量。

不光是我們在做這些研究。加州勞倫斯?伯克利國家實驗室的研究人員在谷歌研究院的資助下，通過類似的電子屏蔽聚變裝置取得了良好的成果。馬里蘭州美國海軍水面作戰(zhàn)中心印第安霍德分部的研究人員也通過對LCF使用電化學方法取得了初步的積極結果。還有即將召開的會議也在關注這方面的進展：今年5月在克利夫蘭舉辦的美國核學會“核與新興空間技術”會議，以及7月在加州山景城舉辦的著重討論固態(tài)能源的“第24屆國際冷聚變會議”。

LCF的任何實際應用都需要高效、自持的反應。我們的工作只是實現(xiàn)這一目標的第一步。如果反應速度得到顯著提高，LCF可能會為清潔核能的生產(chǎn)打開一扇嶄新的大門，它將既可以用于太空任務，也可供地球上許多人使用。

原文標題：NASA的聚變能源新捷徑

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