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建议用于核聚变的新途径

2019-05-03 19:50:19来源:

对于那些寻求无穷无尽的清洁能源的物理学家来说,受控的核聚变一直是一个圣杯。赖斯大学,伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校和智利大学的科学家们提供了一个可能实现这一目标的新途径的一瞥。

他们关于量子控制聚变的报告提出了这样一种观念,即不是将原子加热到太阳内部的温度或者在对撞机中将它们砸碎,而是可以通过使用成形激光脉冲将它们推到足够近以融合:超短,调谐的爆发相干光。

赖斯的Peter Wolynes,伊利诺伊州的Martin Gruebele和智利的伊利诺伊州校友Eduardo Berrios模拟了两个方面的反应,如果外推到三个,可能只是从氘和氚或其他元素中有效地产生能量。

他们的论文发表在Festschrift版本的化学物理快报上,致力于艾哈迈德泽维尔,格鲁贝尔的博士后顾问和诺贝尔奖获得者,因为他在飞秒化学方面的工作,其中飞秒激光闪光引发化学反应。

femtochemical技术是新思想的核心,即核可以被推得足够接近以克服库仑势垒,迫使相同电荷的原子相互排斥。当完成时,原子可以融合并通过中子散射释放热量。当产生的能量超过维持反应所需的能量时,持续的融合变得可行。

诀窍是以可控的方式完成所有这些工作,科学家几十年来一直在追求这样的技巧,主要是在类似太阳的温度下含氢氢等离子体(在美国能源部的国家点火设施和国际热核实验反应堆工作中)在法国)和大型设施。

这篇新论文描述了一个基本的原理验证模拟,该模拟显示了二维成形激光脉冲如何推动氘和氚分子,它的原子核已经在比等离子体小得多的核间距离内准备好了。足够接近融合。“阻止它们聚集在一起的是原子核的正电荷,这两个原子核都具有最小的电荷,1,”Wolynes说。

他说,二维模拟对于保持迭代计算的实用性是必要的,即使这样做也需要从模型分子中剥离电子。Wolynes说:“最好的方法是让电子保持开启以帮助过程并控制它们的运动,但这是一个更高维度的问题,我们 - 或某人 - 将来会解决这个问题。”

在没有电子的情况下,通过模拟成形的5飞秒,近红外激光脉冲的影响,仍然可以将核带入一小部分埃,这些脉冲将核保持在“场结合”分子中。

“几十年来,研究人员还研究了μ子催化的融合,其中氘/氚分子中的电子被μ子取代,”Gruebele说。“把它想象成208倍重的电子。结果,分子键距离缩小了200倍,使核心更好地融合。

“可悲的是,μ子不会永远存在,并且增加的融合效率在能量输出方面甚至达不到打破,”他说。“但是当成形的真空紫外激光脉冲变得像我们在这里模拟的近红外激光脉冲一样可用时,声子融合的量子控制可能超过阈值。”

因为该模型在量子水平上工作 - 亚原子粒子受到不同规则的约束,并具有粒子和波的特征 - 海森堡不确定性原理起作用。Wolynes说,这使得无法知道粒子的精确位置,并使调谐激光成为一项挑战。

“很明显,你需要的那种脉冲必须高度雕刻,并且其中有许多频率,”他说。“可能需要通过实验来确定最佳脉冲形状应该是什么,但是氚是放射性的,所以没有人愿意将氚放入他们的设备中,直到他们确定它能够起作用为止。”

Wolynes说,他和Gruebele,他的实验室研究蛋白质折叠,细胞动力学,纳米结构显微镜,鱼类游泳行为和其他主题,已经考虑了大约十年的可能性,尽管核聚变更多的是业余爱好而不是专业。“我们终于有勇气说,'好吧,值得一谈。'

“我们还没有创办公司......”他说。“但是其他人可能会想到这样的角度,即使在短期内也会产生一些实用的东西,例如产生可能在研究应用中有用的短α粒子脉冲。

Wolynes说:“如果我说在开始计算的时候,我会说谎,我不希望它能解决人类的能量问题。” “在这一点上,它没有。另一方面,我认为这是一个有趣的问题,让我们走上了一条新的道路。”