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目前的“雷鳥反應(yīng)堆”能量轉(zhuǎn)化效率還很低，每輸入15瓦的電能，產(chǎn)生的聚變能量輸出僅有約十億分之一瓦(1x10?? W)。
自人類認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)的能量源于核聚變以來(lái)，在地球上復(fù)現(xiàn)這一終極能源過(guò)程便成了幾代科學(xué)家的夢(mèng)想。若能成功，我們將擁有近乎無(wú)限的清潔能源。然而，讓兩個(gè)原子核克服巨大的靜電斥力相互靠近并融合，需要極端的高溫高壓條件，其消耗的能量往往大于產(chǎn)生的能量。
克服這個(gè)問(wèn)題的路徑之一是提高燃料密度，從而增加聚變過(guò)程中粒子碰撞融合的概率。8月20日，《自然》(Nature)雜志發(fā)表了來(lái)自加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)柯蒂斯·貝林格特(Curtis Berlinguette)團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。他們?cè)O(shè)計(jì)出一種粒子反應(yīng)裝置“雷鳥反應(yīng)堆”(Thunderbird Reactor)，利用電化學(xué)方法增加了燃料密度，顯著提高了氘的核聚變速率。這一發(fā)現(xiàn)雖然尚未解決能量增益問(wèn)題，但其展示的原理性突破，可能為低能核反應(yīng)研究乃至未來(lái)的聚變技術(shù)鋪平道路。
不列顛哥倫比亞大學(xué)(UBC)的雷鳥反應(yīng)堆。圖片來(lái)自作者
核聚變，顧名思義，是兩個(gè)較輕的原子核結(jié)合成一個(gè)較重原子核的過(guò)程，其間會(huì)釋放出巨大的能量。科學(xué)家們主要研究氘(dāo)和氚(chuān)的聚變反應(yīng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谙鄬?duì)“溫和”的條件下就能發(fā)生——需要上億攝氏度的高溫，將物質(zhì)變成等離子體狀態(tài)。同時(shí)，還需要強(qiáng)大的磁場(chǎng)或激光將其約束在有限空間內(nèi)，并維持足夠高的密度，確保有足夠多的碰撞。
該研究沒(méi)有沿用建造更強(qiáng)磁場(chǎng)或更高溫度的傳統(tǒng)思路，而是選擇在固體材料內(nèi)部創(chuàng)造極高的局部燃料密度。在“雷鳥反應(yīng)堆”中，一束氘離子流首先像發(fā)射子彈一樣持續(xù)轟擊一塊金屬鈀制成的靶材。當(dāng)氘離子擊中鈀靶時(shí)，一部分會(huì)與靶材中已被吸附的氘原子發(fā)生聚變，大量氘離子會(huì)“鉆”進(jìn)鈀的晶格結(jié)構(gòu)中并被“卡”住。
隨著時(shí)間推移，鈀靶內(nèi)部的氘濃度越來(lái)越高，形成一個(gè)高密度的“燃料庫(kù)”。這使得后續(xù)射入的氘離子有更大幾率撞上先前植入的氘，從而讓聚變反應(yīng)的速率不斷攀升，直至達(dá)到一個(gè)飽和的穩(wěn)定狀態(tài)。
隨后，研究人員將鈀靶作為電化學(xué)電池的一個(gè)電極。當(dāng)啟動(dòng)這個(gè)電池時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)驅(qū)動(dòng)溶液中更多的氘原子被“泵”入鈀靶內(nèi)部，進(jìn)一步將更多“燃料”硬塞進(jìn)本已擁擠的鈀晶格中，使得局部的氘密度超越了僅靠離子束所能達(dá)到的極限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)電化學(xué)裝置啟動(dòng)后，氘的聚變速率在原有基礎(chǔ)上平均增加了15%。
這項(xiàng)工作表明可控的、低能量的電化學(xué)方法能夠提升核聚變效率，但距離商業(yè)聚變發(fā)電還有極遠(yuǎn)的距離。研究團(tuán)隊(duì)指出，目前的“雷鳥反應(yīng)堆”能量轉(zhuǎn)化效率還很低，每輸入15瓦的電能，產(chǎn)生的聚變能量輸出僅有約十億分之一瓦(1x10?? W)。
“盡管如此，使用電化學(xué)方法來(lái)增加核聚變速率是一個(gè)重大成就。”在同期發(fā)表《自然》的評(píng)論文章中，艾米·麥基翁-格林(Amy McKeown-Green)和珍妮弗·迪翁(Jennifer Dionne)表示，這項(xiàng)工作“憑借涵蓋了核物理、化學(xué)和材料科學(xué)的技術(shù)進(jìn)展，作者正為利用可獲取的臺(tái)式核反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)低能核聚變的更廣泛研究鋪平道路。”
參考文獻(xiàn):
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07527-3
