微米和纳米

美大学成功实现500倍效能核聚变,纳米阵列技术开辟微观战场

近日,美国科罗拉多州立大学的Jorge Rocca教授带领团队将纳米阵列技术应用在核聚变材料中,并使核聚变的产能效率提高了500倍。相关研究已经被发表在《自然通讯》杂志上。

美大学成功实现500倍效能核聚变,纳米阵列技术开辟微观战场

高能核聚变

近两年人类对核聚变这种清洁能源下了不少功夫,今年3月9日,MIT刚宣布开始研发超导磁装置,通俗来讲也就是核聚变的容器。当然制好了容器只是解决控制核聚变的第一道难关,最大化核聚变的产生的能量也是研究的重点之一。

美大学成功实现500倍效能核聚变,纳米阵列技术开辟微观战场

这是因为,核聚变需要极高的温度,也就是说在触发核聚变之前就需要为氢原子的聚变注入能量,但核聚变异常复杂的反应方式和非线性现象使得突破产能非常困难。以目前法国的核聚变项目ITER为例,他们计划输入30兆瓦的电力到反应堆,最后从反应堆中获取500兆瓦的电能,然而这项原定于2016年达成的计划到现在被推迟了整整10年,预计2026年完成。

而另外大部分的核聚变反应堆其实完全是入不敷出,英国的JET核聚变反应堆是目前产能最高的记录——16兆瓦,然而即便如此,也未达到产耗平衡。需要指出的是,新的研究并未对产生的电能进行测算,是否达到产耗平衡也不得而知,但该研究意义就在于打开了一个新的视角。

纳米阵列技术的应用

研究的负责人Jorge Rocca教授并非专门研究核能,而是专攻激光器和量子电子学。大约从10年前开始,Rocca教授开始使用纳米尺度的激光器轰击原子核,在这个过程中记录了高能粒子的各种反应,并陆续发表了多篇相关论文,被引次数超过了1万次。

此次团队的目标也是轰击氘原子,为了提高效能还采用了纳米阵列技术,通过这项技术将氘化聚乙烯制成纳米线,就能够让其中的氘原子非常密集的排列在一起。这样一来,再用激光器轰击这些纳米线,就能让密集的氘原子在飞秒(十亿分之一秒)之内突然加热到核聚变的触发温度。】

美大学成功实现500倍效能核聚变,纳米阵列技术开辟微观战场

在此之前,大多触发核聚变的方式是在体育场大小的装置中构建大型激光器,再让这些激光器轰击氘化材料,而纳米阵列技术的应用则完全开辟了一个非常微观的战场。

实验效果也很不错——每单位激光能量产生了200万个高能中子,是同等材料、同等激光能量产生中子数量的500倍。

为下一步实验做铺垫

然而需要指出的是,该实验仅仅记录了高能中子的数量,而非电子的数量,要知道,电子才是产生电能的主力军,而中子大多是产生杀伤力比较大的动能。这其中或许是受到实验经费的影响,不过目前该研究已经获得了美国空军的资助。

当然,这项研究也为日后的研究做足了铺垫,因为这么多中子非常有利于中子探测器深入了解材料的结合和性能,研究团队的下一步计划就是利用中子成像技术探寻激光和物质的相关作用。此外,未来一定会有相当多的类似实验,这对于记录和研究提高核聚变的产能都具有非常积极的影响。

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