LCF的工作原理是什么

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

目前，全世界運(yùn)行的裂變反應(yīng)堆大約有440座，合計(jì)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(jià)值，但也有相當(dāng)多的缺點(diǎn)。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(huì)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(huì)持續(xù)數(shù)千年。因此，政府、大學(xué)和企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)一直希望通過聚變來(lái)解決這些問題。

美國(guó)國(guó)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(cè)器以及載人任務(wù)。60多年來(lái)，光伏電池、燃料電池或放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)（RTG）一直在為航天器提供動(dòng)力。RTG依賴的是非裂變钚-238衰變時(shí)產(chǎn)生的熱量，而且經(jīng)證明它的壽命極長(zhǎng)，例如，“旅行者”號(hào)探測(cè)器都使用了這種發(fā)電機(jī)，并且在發(fā)射近45年后依然在運(yùn)行。但這些發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)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(huì)促使帶正電的原子核發(fā)生聚變，因?yàn)閷?dǎo)電金屬的高電子密度會(huì)降低兩個(gè)原子核在靠近時(shí)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(xué)家和工程師正在研究這種方法未來(lái)是否能為火星表面運(yùn)行的小型機(jī)器人探測(cè)器提供足夠能量。LCF將消除對(duì)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(xiàng)技術(shù)的成熟，它也可以在地球上找到用武之地，比如用作單個(gè)建筑的小型發(fā)電廠，這將減少對(duì)化石燃料的依賴，提高電網(wǎng)的彈性。

長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家一直認(rèn)為聚變應(yīng)該能夠提供清潔的核能。畢竟太陽(yáng)就是這樣產(chǎn)生能量的。但是太陽(yáng)具有巨大的體積優(yōu)勢(shì)，其直徑近140萬(wàn)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(dá)1500萬(wàn)攝氏度。太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)凈正能量輸出，聚變反應(yīng)堆需要達(dá)到燃料顆粒密度、約束時(shí)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(shí)現(xiàn)。

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

現(xiàn)有聚變反應(yīng)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(lái)進(jìn)一步加熱等離子體。然后，等離子體將驅(qū)動(dòng)更多的核反應(yīng)，最終目標(biāo)是提供凈功率增益。但其中也有局限性。即使在反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生的最熱的等離子體中，大多阿爾法粒子也會(huì)跳過額外的氘核，而不會(huì)傳遞太多能量。聚變反應(yīng)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(jì)50年代，科學(xué)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(shè)計(jì)細(xì)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(duì)其進(jìn)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(jì)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(qū)內(nèi)爆中壓縮目標(biāo)表面，或者在間驅(qū)內(nèi)爆中為內(nèi)部目標(biāo)容器提供能量。與磁約束反應(yīng)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(yīng)在目標(biāo)解體前持續(xù)不到1微秒就結(jié)束了。

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

當(dāng)前的聚變反應(yīng)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(lái)源是裂變反應(yīng)堆，這在一定程度上違背了使用聚變的初衷。

這些技術(shù)的基本問題在于，要克服庫(kù)侖勢(shì)壘，即帶正電的原子核相互排斥的自然趨勢(shì)，反應(yīng)堆中的原子核需要有足夠的能量，也就是足夠熱。由于庫(kù)侖勢(shì)壘，聚變?cè)雍说木圩兘孛娣浅Ｐ。@意味著兩個(gè)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(lái)加大橫截面，但這需要巨大努力來(lái)約束等離子體。就目前的情況來(lái)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(jìn)之處。

在地球上實(shí)現(xiàn)熱聚變確實(shí)面臨巨大的障礙?？梢韵胂?，在航天器中面臨的障礙會(huì)更大，因?yàn)楹教炱鳠o(wú)法攜帶托卡馬克或仿星器。裂變反應(yīng)堆被視為一種替代方案，2018年，NASA在內(nèi)華達(dá)國(guó)家安全區(qū)使用一個(gè)紙巾卷大小的鈾-235堆芯成功對(duì)Kilopower裂變反應(yīng)堆進(jìn)行了測(cè)試。Kilopower反應(yīng)堆可以產(chǎn)生高達(dá)10千瓦的電力。其缺點(diǎn)是它需要高濃縮鈾，會(huì)帶來(lái)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(jiǎn)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(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。氘化金屬（在我們的實(shí)驗(yàn)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?yàn)榻饘偬烊坏卮嬖谟谝粋€(gè)規(guī)律間隔的晶格結(jié)構(gòu)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(gè)氘核。慣性約束聚變裝置可以瞬間達(dá)到每立方厘米1026個(gè)氘核的密度。事實(shí)證明，像鉺這樣的金屬可以無(wú)限地以每立方厘米近1023的密度容納氘核，遠(yuǎn)高于磁約束裝置所能達(dá)到的密度，僅比慣性約束裝置所能達(dá)到的密度低3個(gè)數(shù)量級(jí)。關(guān)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(huì)形成帶有中性電荷的等離子體。金屬晶格會(huì)對(duì)氘核進(jìn)行限制和電子屏蔽，使相鄰的氘核（都帶正電）無(wú)法“看到”彼此。這種屏蔽增加了更多直接碰撞的機(jī)會(huì)，能進(jìn)一步促進(jìn)聚變反應(yīng)。如果沒有電子屏蔽，那么兩個(gè)氘核就更有可能相互排斥。

通過一個(gè)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(lái)啟動(dòng)聚變過程。電子束會(huì)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(dāng)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(gè)氘核時(shí)，氘核會(huì)分裂成組成它的質(zhì)子和中子。中子可能會(huì)與另一個(gè)氘核碰撞，使其加速，就像臺(tái)球桿擊球時(shí)會(huì)使球加速一樣。然后，第二個(gè)高能氘核將經(jīng)歷以下兩個(gè)過程之一：屏蔽聚變或剝離反應(yīng)。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到，在屏蔽聚變中，高能氘核與晶格中的另一個(gè)氘核發(fā)生了聚變。聚變反應(yīng)將產(chǎn)生一個(gè)氦-3核和一個(gè)剩余中子，或一個(gè)氫-3核和一個(gè)剩余質(zhì)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(gè)阿爾法粒子，或與另一個(gè)氦-3核或氫-3核發(fā)生聚變。每一次核反應(yīng)都會(huì)釋放能量，幫助促進(jìn)更多的聚變發(fā)生。

在剝離反應(yīng)中，原子（比如我們實(shí)驗(yàn)中的鈦或鉺）會(huì)從氘核中剝離質(zhì)子或中子，并捕獲該質(zhì)子或中子。鉺、鈦和其他較重的原子會(huì)優(yōu)先吸收中子，因?yàn)橘|(zhì)子被帶正電的原子核排斥（稱為“奧本海默-菲利普斯反應(yīng)”）。雖然我們還沒有觀察到這一現(xiàn)象，但理論上來(lái)說(shuō)，電子屏蔽是有可能會(huì)使質(zhì)子被捕獲，從而將鉺轉(zhuǎn)化為銩，或?qū)⑩佫D(zhuǎn)化為釩。這兩種剝離反應(yīng)都會(huì)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(shí)產(chǎn)生了聚變，我們采用了中子譜學(xué)。這項(xiàng)技術(shù)可以檢測(cè)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子。當(dāng)氘核-氘核聚變產(chǎn)生氦-3核和中子時(shí)，該中子的能量為2.45兆電子伏（MeV）。因此，探測(cè)到2.45 MeV的中子時(shí)，我們就知道聚變已經(jīng)發(fā)生了。當(dāng)時(shí)我們?cè)凇段锢碓u(píng)論C》上發(fā)表了該項(xiàng)初步研究成果。

由于電子屏蔽，氘核似乎是在1100萬(wàn)攝氏度下發(fā)生聚變的。但實(shí)際上，金屬晶格比這個(gè)溫度低得多，盡管氘核聚變時(shí)，它的溫度會(huì)從室溫升高一些。

總體來(lái)說(shuō)，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(yīng)堆的效率要高得多，這兩種反應(yīng)會(huì)將整個(gè)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(lái)加熱它們。但是，LCF也消除了許多阻礙其他聚變計(jì)劃成功的技術(shù)和工程障礙。

雖然我們一直使用的中子反沖技術(shù)是將能量轉(zhuǎn)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(lái)引發(fā)反應(yīng)。我們也需要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的自我維持，這一點(diǎn)通過使用中子反射器將中子反射回晶格也許能實(shí)現(xiàn)，碳和鈹是常見的中子反射器。另一個(gè)選擇是將聚變中子源與裂變?nèi)剂辖Y(jié)合，充分利用二者的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論如何，要提高這些晶格約束核反應(yīng)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(lái)觸發(fā)核反應(yīng)。在后一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們探測(cè)到了快中子。電解裝置正在使用上述中子譜學(xué)檢測(cè)方法來(lái)測(cè)量這些中子的能量。根據(jù)能量測(cè)量結(jié)果，我們將了解是哪種核反應(yīng)產(chǎn)生了這些能量。

不光是我們?cè)谧鲞@些研究。加州勞倫斯?伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)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(duì)LCF使用電化學(xué)方法取得了初步的積極結(jié)果。還有即將召開的會(huì)議也在關(guān)注這方面的進(jìn)展：今年5月在克利夫蘭舉辦的美國(guó)核學(xué)會(huì)“核與新興空間技術(shù)”會(huì)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(guó)際冷聚變會(huì)議”。

LCF的任何實(shí)際應(yīng)用都需要高效、自持的反應(yīng)。我們的工作只是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步。如果反應(yīng)速度得到顯著提高，LCF可能會(huì)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(wù)，也可供地球上許多人使用。

原文標(biāo)題：NASA的聚變能源新捷徑

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