一“枪”搞定?英公司模仿枪虾攻击时的冲击波,实现了核聚变突破

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从理论上讲,核聚变是完美的能源,只需将氢和氦融合并获得大量能量即可。它不会像煤炭或天然气那样产生可怕的碳排放,唯一的问题是能够产生聚变的机器体积庞大、价格昂贵且极其复杂。这就是为什么尽管数十亿美元的资金和数千名工程师孜孜不倦地工作了几十年,我们仍然没有造出一个可以发电的聚变反应堆。#核聚变#

但是,牛津大学衍生公司First Light Fusion声称已经创建了一个革命性的新反应堆,它可以解决所有这些问题,甚至可以在 2030 年之前提供可用的聚变能。而且这些科学家并不是靠自己想出了这项令人难以置信的新技术,其灵感而是来自世界上最致命的虾

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“烧开水”并不容易!

在我们深入研究 First Light 的技术之前,我们首先需要了解为什么我们还没有破解核聚变。实际上,让氢融合成氦并释放大量能量相对容易,被人戏称“烧开水”。你只需要创造足够高的压力和温度条件,使氢原子有足够的动能来克服排斥的原子力。

然而,我们目前拥有的反应堆设计,例如磁约束反应堆(托卡马克)、惯性约束反应堆(国家点火设施)和磁化靶聚变反应堆(Helion),都非常复杂且耗能。它们都需要强大而精确的磁场或强大的激光来进行聚变反应。这使得这些机器非常复杂,有数千个潜在的效率损失区域,这就是我们努力获得比投入更多的能量的原因。

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一种解决方案是利用现代计算机模拟(人工智能)和尖端材料来解决这些效率问题。然而,开发、模拟、实施和证明这些解决方案的工作需要数年时间,并且花费数百万(如果不是数十亿)美元。这正是为什么融合这么长时间以来如此难以捉摸的原因。

但First Light Fusion决定采取完全不同的方法。通过简化整个机器,他们可以消除造成损失的区域。此外,更简单的机器可以以更少的支出更快地提高效率,因为它更小、更简单的设计使开发更容易。

ps:First Light 成立于 2011 年,从牛津大学分拆出来,专注于抛射体聚变,这是物理学家几十年前提出的一个想法。起初它并不被认为是一种可行的技术,因为它需要将射弹推进到令人难以置信的高速,而实现这一目标既困难又昂贵。不过现在这家公司已获得C轮4500万美元融资,其中投资方包括腾讯

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俗话有说,大自然是人类的导师,因为进化往往对每一个工程问题都有答案。First Light Fusion 的灵感来源于枪虾(pistol shrimp)。

它的“枪”里没有子弹,却有上千度的高温和冲击波!

枪虾不比你的手指大,但它们在海洋家园中却令人恐惧。它的一只巨螯已经被改造并变成了一把强大的空化枪,能够对它的猎物或任何威胁它的东西造成可怕的伤害。

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这些小家伙以令人难以置信的速度将它们的巨螯闭合一起(可动指上的突起结构快速撞击不可动指上的凹槽),产生冲击波并以高达96 公里/小时的速度向前喷射水流。速度如此之快,以至于水本身在剪切周围静止的水时会蒸发,从而形成微小的空化气泡。空化气泡与冲击波相互作用,并在极短的时间内坍塌。但在最短暂的瞬间,那些气泡中的蒸汽被加热到接近太阳表面温度的4700℃,甚至发出明亮的闪光。同时气泡在崩裂瞬间会产生210分贝的音量,发出非常响亮的爆裂声。想象一下,如果虾大得多,声音会多么响亮。

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顺便说一句,枪虾和螳螂虾都会产生强大的空化气泡,以至于它们的温度几乎一样高。但是,如果没有特殊仪器的帮助,我们无法看到这种强大而极快的光芒。

不得不说,这是一个非常巧妙的技巧,但它如何帮助我们制造更好的聚变反应堆呢?

世界上第一个高超音速“射弹聚变”!

First Light Fusion 设计的核聚变是采用一种称为惯性聚变的方法,其中燃料芯块被压缩和加热得如此之快,以至于在燃料爆炸之前的几纳秒内,粒子就会融合在一起。

在其演示动画中,一个长 22 米、重 25000 公斤的两级超高速气枪(Big Gun)被用来向含有核聚变燃料的颗粒发射100克的弹丸(其形式为氚和氘),弹丸以超过 6.5 公里/秒的速度或 20 倍音速发射到真空室中,撞击燃料芯块。

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借助 First Light 独特的放大技术,聚变燃料的坍缩速度将超过70 公里/秒,产生的压力是地球大气压力的 30 倍。此时,燃料成为地球上移动速度最快的物体,燃料颗粒从几毫米压缩到100微米以下时产生的压力和温度足以引发聚变反应。

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这些释放出大量的热能和中子,这些热能和中子被腔内流动的 1 米厚的液态锂池吸收。这些热量被传递给水,水变成蒸汽,从而使涡轮机发电。然后,整个过程将每 30 秒重复一次,每次反应产生的能量足以为普通英国家庭供电两年以上。

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到目前为止,在测试中,First Light 已经实现了氘-氘聚变,其效率水平可与行业领先的高度发达的托卡马克相媲美。氘-氘聚变反应可以产生稳定的氦同位素和中子,或氚和质子。当锂受到中子轰击时,也会产生氚。氚可以在后续的氘-氚聚变反应中消耗,该反应会发射另一个中子和氦同位素,导致每次聚变都会释放能量。不过这个设施最大的挑战之一是生产足够的氚(氚具有放射性,半衰期超过 12 年),来令反应堆自给自足。

从展示的案例来看,这个反应堆可谓是非常简单,只有4个简单的部分:两级超高速气枪、燃料芯块/弹丸、反应室和能量捕获。无需花费数十亿美元,就可以立即轻松地获得安全、清洁且几乎无限的能源。

当然,要想将这个反应堆成功运行还需要一段时间。目前First Light 正在努力建设一个试点工厂,以在这十年内扩大其技术。它希望实际的生产工厂将在 2030 年代投入运营,每个工厂能够生产15万千瓦的电力,成本不到 10 亿美元。

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那么,枪虾掌握着核聚变的关键吗?First Light 已经表明,基于枪虾的融合技术非常有效,现在他们需要开发和完善它,这是具有挑战性的部分。不过其他聚变反应堆相比,他们的设计需要克服的挑战要少得多。当然,究竟是哪一种核聚变反应堆能成功商用,我们拭目以待。

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