美国和日本的物理学家首次在磁约束等离子体中观察到质子和硼 11 原子之间的核聚变。 他们说结果 证明了质子-硼聚变作为一种丰富、经济的能源的潜力。 但其他人警告说,这种能源的科学基础在很大程度上仍未得到证实,而且巨大的技术障碍阻碍了商业发电厂的发展。
所有形式的聚变都有望产生近乎无限、清洁、基本负荷的能源,而不会出现困扰裂变的可能熔化和长寿命废物问题。 但是质子-硼 (p11B) 与涉及氢同位素氘和氚的更主流反应相比,聚变带来了一些额外的优点。
硼很容易开采,而氚在地球上很稀有,而且很难人工生产。 质子-硼反应还会产生三个氦原子(α 粒子)——其能量原则上可以直接转化为电能——同时不产生中子,从而大大减少反应堆组件的放射性污染。
然而,这些加分是有代价的。 氘-氚聚变本身需要极高的温度来克服原子核的相互排斥——大约 100 亿开尔文。 但是质子-硼反应仍然需要更极端的条件——大约 1.5 亿开尔文。
作为最新研究的作者 在发表于的论文中解释 自然通讯,等离子体的温度越高,通常以同步加速器和轫致辐射的形式辐射出的能量就越多。 他们指出,这使得通过聚变反应产生的能量比为反应堆提供动力所需的能量更难——这是一个主要问题,因为商业工厂可能需要至少 50 的能量增益才能克服发电效率低下的问题过程。
这项新工作由加州核聚变公司的 Richard Magee 及其同事完成 TAE技术 与科学家们一起 国家融合科学研究所 在日本土岐市。 研究人员在该研究所的大型螺旋装置 (LHD) 上进行了实验,这是一种已经配备必要聚变燃料的仿星器——质子以高能中性束的形式发射,而硼粉被注入等离子体以帮助减少杂质。
TAE 提供了探测器,它依靠部分耗尽的硅半导体在被 α 粒子撞击时产生电流。 它的设计是为了避免错误地记录来自 X 射线和其他等离子体辐射的信号,方法是远离核心等离子体并让带电的 alpha 粒子被 LHD 的大磁场引导到它。
研究人员在去年 10 月进行了数十次实验性拍摄。 他们通过比较探测器在打开中性光束前后的信号以及在没有任何硼粉的情况下进行一些射击来观察聚变反应。 只有当他们同时拥有中性束和硼粉时,他们的产量才会跃升——准确值告诉他们他们生产了大约 XNUMX12 每秒的聚变反应,这与计算机模拟一致。
面临的挑战
这并不是质子-硼聚变的第一次展示——科学家们之前已经使用粒子加速器和强大的激光观察到了它。 但美日合作认为,重要的是研究最终将被利用的反应——在磁约束的热核等离子体中。 研究人员承认还有很多工作要做,但相信 TAE 将在其中一种设备中实现能量增益。
事实上,TAE 声称在商业聚变能源的道路上进展顺利。 该公司已经建造了一系列越来越复杂的反应堆来探索场反转配置聚变,这涉及将等离子体脉冲发射到腔室中并通过旋转它们以磁性方式将它们固定在适当的位置。 迄今为止,这些设备都没有展示质子-硼聚变——其目前使用氢等离子体的“诺曼”反应堆——但该公司表示,它打算在 2030 年代初期从试点质子-硼发电厂向电网输送电力。
国家点火装置的点火里程碑激发了激光聚变的新动力
彼得·诺瑞斯英国牛津大学的等离子物理学家表示,研究人员在他们的实验中做得“很好”。 但他认为,质子-硼聚变仍远不能与氘-氚反应相媲美。 他说,一个潜在的并发症是需要在如此高的温度下对等离子体动力学进行相对论描述。 他还认为轫致辐射可能会腐蚀反应堆的内表面,从而破坏等离子体的约束。
位于德国加兴的 EUROfusion 联盟的科学家们也受到了保护。 Tony Donné、Hartmut Zohm 和 Volker Naulin 告诉 物理世界 在最近的实验中观察到的反应速率大约十个数量级太小而不能用于聚变能(考虑到质子-硼的低功率密度)。
他们“强烈怀疑”是否有可能实现商业发电所需的收益,并警告说轫致辐射实际上可能非常强,以至于超过加热和控制等离子体所需的功率——导致等离子体坍塌。
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- Sumber: https://physicsworld.com/a/proton-boron-fusion-passes-scientific-milestone/
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