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纳米粒子是更好的核聚变的答案吗?

复制在恒星或核爆炸中心发现的极端条件,这些条件可以以受控方式导致核聚变,是过去几十年最具挑战性的科学努力之一。 尽管该领域取得了稳步进展,但物理学家仍在寻求新的方法,以使用紧凑型激光驱动的聚变反应堆实现核聚变。

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什么是核聚变,为什么它很重要?

核聚变是一个过程,其中轻元素的两个原子核(例如氢或其同位素)结合形成一个较重的原子核(例如氦),同时释放大量能量。 聚变反应为物质处于等离子体状态的恒星提供燃料,这是一种正离子和自由电子的热混合物,具有与固体、液体和气体截然不同的独特特性。

为了发生聚变反应,原子核必须以足够高的能量碰撞,对应于极高的温度,在 10 到 1 亿开尔文之间。 高温允许带电粒子克服静电排斥力。 一旦核之间的距离变得足够小(大约 10-15 m),更强的核吸引力就会克服静电排斥,导致核融合。

为了促进该过程,核心必须限制在小体积内,或者等离子体的密度必须足够高以增加碰撞的概率。 在恒星中,引力场产生的巨大压力为核聚变创造了必要条件。

由于核聚变燃料在地球上比较丰富且相对容易获得,因此了解 1930 年代的核聚变理论导致物理学家和工程师们寻找一种方法来利用它作为一种可持续且负担得起的能源。 核聚变可以通过裂变反应产生的能量是每公斤燃料的四倍,裂变反应是核电站的能源,是燃烧化石燃料的近四百万倍。

核聚变的惯性约束方法

目前,世界范围内的实验聚变反应堆使用了两种主要的等离子体捕获技术。 磁约束方法依靠产生强磁场来加热等离子体并确保其在足够长的时间内保持稳定,以使聚变反应继续进行。

然而,即使使用冷却的超导磁体,可能的磁场强度(几特斯拉)也会限制可实现的等离子体密度。 因此,大多数实验性聚变反应堆的等离子体体积为几百立方米,这意味着高昂的建设和运营成本。

惯性约束以脉冲模式运行,其中小部分燃料被强大的激光脉冲压缩和加热,速度如此之快,以至于大部分原子在过热等离子体膨胀时发生聚变。

爆炸过程中释放的能量受到聚变室的机械、热和放射性特性的限制,通常在几百兆焦耳的数量级。

单个惯性约束聚变燃料芯块的质量只有几毫克,而压缩和聚变反应发生在几纳秒的时间尺度上。 这种使用小型燃料芯块的紧凑型聚变反应堆可能是通向商业上可行的核聚变的可行途径。 然而,这种方法的成功应用受到高强度激光产生的燃料芯块的快速压缩等离子体的流体动力学不稳定性的阻碍。

核聚变反应堆

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用于激光核聚变的纳米材料

几年前,由 Jorge Roca 教授领导的科罗拉多州立大学研究小组展示了使用小型激光装置在惯性约束核聚变方面取得的重要进展。

研究人员使用飞秒高功率激光脉冲照射了一个包含数千条由溶剂聚乙烯制成的高度有序的纳米线的纳米结构靶,这种材料是氢原子被氘取代的材料。

纳米线阵列中的空隙使激光束能够快速穿透被吸收的目标。 目标的快速电离产生过热的高密度等离子体,其中氘核被加速到巨大电势范围内的能量,从而导致氘聚变反应。 该反应伴随着大约 2 × 10 的非常强的中子通量。6 每焦耳激光能量传递的粒子数。 这些中子爆炸的威力比以前使用相同材料的常规目标所达到的威力高出两个数量级以上。

Nanoplasmonics 点燃核聚变

最近形成的激光惯性聚变实验(NAPLIFE)提出了实现激光核聚变的另一条途径。 由匈牙利 Wegner 物理研究中心的 Tamas Biro 博士领导的合作科学家提出使用等离子体场增强效应来改善燃料目标对激光能量的吸收。

这个想法是将棒状金纳米粒子分散在整个目标材料(在这种情况下为熔化的聚苯乙烯)。 入射激光辐射将激发纳米粒子中的等离子体共振(自由电子的质量振荡)。

研究人员估计,当纳米棒的形状和结构得到优化时,等离子体效应可以增加复合靶(一种嵌入纳米棒的聚合物)的能量吸收,与单独的聚合物靶相比大约增加两个数量级。 纳米棒充当嗡嗡作响的纳米纳米材料,它吸收激光能量并将其传输到目标形成聚合物。

每个等离子体纳米粒子都充当一个热点,在整个目标材料中引发扩散聚变反应。 这样,较短、较弱的激光脉冲可以均匀加热靶材,保证靶材全尺寸都能达到点火温度。

研究人员继续探索越来越多的奇异等离子体纳米结构,例如空心球或环形纳米粒子,它们可以增强燃料目标的能量吸收,使我们更接近实现可控核聚变。

继续阅读:利用纳米技术去除核废料

参考文献和补充阅读

巴布,我。 等。 (2022) 用于激光诱导融合的等离子体纳米天线弹性动力学模型的评估。 PRX 功率 1,第 023001. 可在: https://doi.org/10.1103/PRXEnergy.1.023001

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柯蒂斯,A。 等。 (2018) 密集相对论纳米线阵列等离子体中的小规模融合。 自然。 常见的。 第 9 页 1077. 可在: https://doi.org/10.1038/s41467-018-03445-z

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