美國七十年來做過無數次的核聚變試驗,有成功當然也有失敗。題主應該問的是著名的美國國家點火設施為什麼最後失敗了。

美國國家點火裝置National Ignition Facility(NIF)一度是美國科技的象徵,是美國的驕傲,然而這個當時耗資數十億美元、歷時十餘年建設的大科學設施,在歷經幾次續命後,最終於2012年9月宣告點火失敗。

(美國國家點火裝置National Ignition Facility)

NIF失敗主要有資金、設計、技術和管理不善等幾方面的原因。

核聚變發電的夢想

自從1951年5月人類爆炸第一顆氫彈的那一刻起,科學家們就對氫這種神奇的氣體產生了濃厚的興趣,他們幻想著有一天能夠像太陽那樣源源不斷地生產出大量的熱能用來發電,並且不受強烈核輻射的困擾。

爆炸一顆氫彈容易,想要駕馭氫,讓它按人類的要求緩慢地釋放光和熱卻是一件極其困難的任務,以至於近七十年過去後的今天,科學家們依然無法實現長時間穩定可控的核聚變目標。

核聚變的原理很簡單,就是模擬太陽和大多數恆星那樣,對氫氣或氫的同位素氘和氚施加極高的壓力的溫度,迫使它們帶正電的原子核融合在一起,成為氦這樣更大的原子核,在這個過程中,原子會釋放巨大的熱量。

(氘-氚核聚變)

太陽是一顆由73.46%的氫和24.85%的氦構成的恆星,它的直徑有139萬公里,質量約為地球的33萬倍,在其擁有3000億個大氣壓和1500萬度高溫的內核,每秒鐘有近6億噸的氫原子被壓在一起變成氦,同時產生巨大的能量。

(太陽內部結構)

我們在地球上很難實現3000億個大氣壓這樣高的壓強,需要用更高的溫度來彌補壓力的不足,促成氫原子核之間的融合。科學家們估算,我們需要將氫加熱到1億度以上的高溫,才有可能讓處於離子態的氫原子聚變成為氦,這個過程需要消耗巨大的能量。由於核聚變的過程中能產生更多的能量,所以用它來發電是合算的。

目前世界上已知的可控核聚變裝置主要有兩類,一類是我們國家最近試驗成功的高溫超導托卡馬克磁約束裝置;另一類是慣性約束,其中具有代表性的就是我國的神光系列,和美國國家點火裝置。

(托卡馬克磁約束裝置)

托卡馬克裝置的原理是製造一個巨大的電磁環狀管道,將其內部的核燃料加熱到極高溫度,使其成為高溫離子體,通過控制離子體的密度來實現融合;而美國國家點火裝置(NIF)則是通過向填充了氘氚的小球發射高能激光束,來促使其瞬間達到極高的溫度和壓力,以達成核融合的目的。

(圓環中間的小珠是美國國家點火裝置的氘氚聚變靶)

美國國家點火裝置誕生

關於運用慣性約束的激光點火,實際上早在1970年左右就已經被美國核物理學家和核武器設計師Ray Kidder提出了,之後在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、美國國家科學院和能源部的科學家們十多年的爭論之後,美國國會眾議院批准能源部投資建設NIF,預算投資11億美元(當時的11億美元是挺大一筆錢)。

1996年,美國國家點火裝置在位於加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開始建設,工程進行過程中因為技術和管理問題經歷多次波折。到2002年NIF的工程造價已經上升到28億美元,直到2009年6月才開始第一次激光打靶試驗,這時他們已經花掉了超過35億美元,2010年10月才宣布建設完成。從這以後,國會每年要為國家點火裝置撥付超過4.5億美元用於試驗,據審計委員會估計NIF總共花費要超過80億美元。

(施瓦辛格州長參觀NIF)

一個如此昂貴的設施,它是怎麼工作的呢?

國家點火裝置的目標,是用激光打一個直徑只有大約2毫米的小小膠囊,這個小米模樣膠囊里密封著微量溫度為-255°C氘和氚的混合燃料。

(存放氘氚膠囊的金屬腔體)

為了使小膠囊里的氘和氚達到核聚變所需要的溫度和壓力,科學家們需要在幾十億分之一秒內將192束強紅外激光同時均勻地照射到這個小膠囊上,傳遞到目標的峰值UV功率達到500TW。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室預計這192束激光所產生的20M焦耳的能量如果能夠同時非常準確地作用在這粒含有氘氚混合物的膠囊上,將給它施加約3000億個大氣壓的壓力和420K焦耳的熱量,由此激發的核聚變將產生約100-150M焦耳的能量,這相當於11公斤TNT發生爆炸。

(激光約束核聚變反應過程)

為了承受巨大爆炸的衝擊,科學家們設計了一個巨大的鋼球,它由多塊厚重鋼板拼接成直徑10米、重達130噸的「靶室」,在鋼球各個方向鑽了數百個孔來安裝激光槍和其它設備,以確保192束高能激光能從各個不同的角度均勻準確地照射。

(工人正在安裝靶室厚重的鋼製外殼)

科學家們需要解決的另一個問題,是如何才能讓所有的激光在幾皮秒的時間內從各個方向照射到同一個點,因為激光所走的路徑不同,所以它們到達目標所用的時間也有差異。如果有幾束激光照射到目標的時間稍有偏差,小珠子所受的力就不均勻,它要麼達不到聚變所需要的壓力,要麼會炸偏,造成點火失敗。

(鋁合金靶室內層開了許多孔洞以安裝192個激光槍和其它設備)

設計國家點火裝置的科學家們希望達到這樣的目標:在1分鐘內連續爆炸1000顆這樣的小珠子,從而實現將聚變能量用於發電的目的。

(NIF的目標是1分鐘引爆1000顆氘氚靶)

理想很豐富,現實卻總是很骨感。

科學家們從2009年折騰到2012年,沒有一次完成真正的核聚變。其中一個問題似乎是太多的激光從膠囊中散射了回來。另一個原因是他們不能做到讓所有的激光在同一時刻照射到目標,導致小珠子被不對稱地擠壓,這降低了其中心的壓力。不對稱性也導致氫同位素混合不均勻,降低了顆粒的溫度。

(激光引起核聚變爆炸瞬間)

因為無法解決因設計缺陷而導致的激光對焦不準和時間不同步,2012年9月,國家點火試驗宣告失敗,國家點火裝置改變用途。

事實上,美國建造NIF主要不是為了和平利用核能來驗證核聚變發電的可行性,它更重要的用途還是用來研製和發展氫彈。因為在1996年前後,冷戰已經接近結束,美國也正在進行「全面禁止核試驗條約」的談判,一旦加入這個條約,美國將不能再進行大氣層或地下核試驗,而國家點火裝置正是將氫彈試驗小型化的一種手段。所以在點火試驗失敗後,這個世界上最強大的激光設施被迅速轉向了軍事用途,轉而為美國國家核安全管理局(NNSA)模擬核武器內部條件的實驗提供數據支持。

(點火失敗後,NIF由核電站研究轉向核武器試驗研究)

單從驗證氘氚核融合與未來建設核聚變電站的角度出發,目前中國正在做的高溫超導托卡馬克裝置是更合理也更容易實現的發展方向。美國國家點火裝置的失敗與其說是資金、設計和技術原因導致,倒不如說這是慣性約束核聚變在民用領域失敗的必然。

(位於合肥的托卡馬克裝置已經實現了1億度以上的連續點火)


美國核聚變失敗了,其實美國醉翁之意不在酒,他們研製氫彈成功了。中國也未取得多大進展。研究核聚變反應,是為了取得用之不竭的能源,而且其反應過程是緩和可控的,其實就是研製微型天體。我們首先要確切弄清天體運行原理,理論正確,才可付諸實驗,才能確保成功。

天體都在高速旋轉,其內部能量也在旋轉,象太極魚紋圖一樣旋轉,在旋轉中作著能量聚合凝縮運動,也就是現在說的核聚變反應。這種反應需要大量能量補充的,天體正是以引力吸取外圍的各種暗能量。這種聚變反應無須外界施加壓力和溫度,暗能量的衝擊產生壓力,旋轉運動產生溫度。這種運動無法休止,一直持續下去,而且是加速度。這就是我國傳統文化所謂的道的無為而無不為。所有天體包括行星,恆星和黑洞,甚至量子,都在作著這種能量聚合運動。在運動過程中釋放一部分結合能,如太陽,但吸收更多暗能量。黑洞引力太大,無法釋放,大量吸收。據探測,黑洞也會定期釋放一種形式的能量。

人造微型天體一定是能夠做成的,因為它比量子要大得多。一開始要對反應堆緩慢施加壓力和溫度,不可陡然施加強大壓力和溫度,以免爆炸。壓力達到一定程度,反應堆內暗能量會緩慢旋轉運動。這時,即使撤去壓力和溫度,反應堆也會自然產生熱量,暗能量在微微旋轉運動。我們要把反應堆看成是天體,繼續增加氫原料,攪拌均勻,然後繼續施壓加溫,舒緩進行,再停下來觀察,反應堆會凝聚起來,已經無法攪拌,可再把氫氣壓縮進去以增加能量。這樣循序漸進地操作,最後反應堆可看見旋轉起來,如旋風,如旋渦。無須磁場固定,本身的引力使反應堆凝縮,此時無須再供應能量,它能自食其力,自己吸取周圍空氣和暗能量,並釋放熱能。施壓加溫只是製作手段,製成後即可撤除。人造天體成功製成。如果想儘快增強其功力,可將高能氫氣環繞在其周圍,它會自由吸取,增加能量,增強功力。其內能旋轉是加速度的,一旦增強,絕不衰減。

核聚變與核裂變相反,它的特點是舒緩進行,以周圍暗能量為自己的能源,釋放結合能為人類提供能源。一旦製成這個天體,它就旋轉不息,源源不斷釋放能量,如同太陽。我只是提出理論,如果否認我的理論,就永遠無法實驗成功,不可象核裂變一樣榨取能量,棄為渣滓。應培養其生命,才可舒緩可控地取得能量。要養雞生蛋,不能殺雞取卵。


率先設計出磁場作為核聚變容器的是美國,他們的設備叫哥倫布機。1955年,哥倫布機中出現了核聚變的跡象:產生中子。為什麼會有中子呢?因為核聚變的原料是氘和氚,它們都是氫的同位素。氘含有1個中子,氚含有兩個中子,它們聚合成的氦也是有兩個中子,那麼多餘的1個中子就會飛出磁場。檢測到中子,是核聚變反應最好的標誌。

美國人的實驗有數以萬計的中子爆發,人們馬上宣布實驗成功。然而實際證明,這並不是高溫下的核聚變,而是冷熱兩種原子核相互作用產生了中子。這種聚變不僅不能得到能量,反而會消耗更多的能量。實驗宣告失敗。

也許沒有哪個國家、哪個人能夠單獨完成駕馭太陽的偉業,不如把資源集中在一起,建立國際核反應堆。然而,反應堆只有一個,所有人都希望建在自己的國家。爭吵的結果是美國、德國、日本各建一座,所謂的集中資源、共同努力的倡議化為泡影。脆弱的國際合作沒有維持下去,美國決定退出合作,因為他們只想看到投資回報,而不是什麼純粹的科學研究。


美國核試驗真的是表面看到的這麼進展緩慢嗎,我猜不可能。首先為什麼沒有消息呢,就要拿石油說話了,美國的各大財團為了石油發動了這麼多戰爭,投入了這麼多以石油為生的基礎設施,核聚變成功只會讓美國破產,而地球唯一的出路是核聚變,所以我猜他們肯定一直有進步,只不過石油巨頭為了利益隱瞞了而已。


我認為其失敗的根本原因就是:這些年美國人過得太安逸了,一直在大哥的位置上,所以有點不思進取了!而且核聚變可以說是上帝的禁區,不是可以隨便進入的,不說遠的俄羅斯核裂變的事故,就日本福島的就讓人生怕!!如果是核聚變造成的事故更加的不得了了,所以考慮安全問題也是一個原因!


熱核反應的裂變不會產生能量——電磁波。

裂變是為聚變做準備,只有聚變才會產生能量。

聚變的實質是金屬態氫離子的磁力矩相互切割產生電磁波。如果用電磁波控制磁場里的金屬態氫離子產生聚合反應,得到無法利用的電磁波,徒勞無功!


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