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太陽的力量已經離地球更近了一步。 在X射線轟擊下，塑膠外殼快速內爆到氫的冰同位素上，產生了聚變，並且首次，170微克的這種超熱聚變燃料釋放的能量超過了它吸收的能量。 自2013年9月以來，加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的192束雷射的實驗性射擊至少再現了四次這樣的聚變。 這一進展帶來了希望，在遙遠的未來，科學家們或許能夠可靠地複製太陽和恆星的能量來源。
“這比以往任何人都更接近目標，並且真正獨特的是從燃料中獲得的能量與投入的能量一樣多，”利弗莫爾物理學家奧馬爾·颶風說，他是發表在自然雜誌上的結果論文的主要作者。 “我們從DT燃料中獲得的聚變能量比我們投入到DT燃料中的能量還要多。” （大眾科學是自然出版集團的一部分。）
DT燃料代表氘和氚，氫的同位素，分別包含一個質子和一箇中子或一個質子和兩個中子。 2013年11月19日，在利弗莫爾國家點火裝置（NIF）上進行的一次射擊，持續時間不到2 x 10^–8 秒——比眨眼的時間還短——產生的能量幾乎是施加能量的兩倍，根據新論文。 改變雷射將能量輸入到空腔（一種容納聚變燃料丸的小罐子）的時間證明是關鍵。 科學家們在射擊的早期集中了更多的能量，以使過程早期條件更熱，這似乎有助於在燃料丸內爆時將其保持在一起更長時間。
燃料丸本身是一個完美的球形塑膠膠囊，直徑約兩毫米，形狀精確（每個燃料丸的成本約為100萬美元），以確保最佳效能。 氘和氚以氣體的形式新增到空心燃料丸中。 然後將球體冷卻至18.6開爾文，即–254.55攝氏度。 這種冷卻導致氘和氚在球體內部形成一層冰，厚度約為70微米——比人頭髮的寬度還薄。 大約500兆焦耳的電力為雷射器供電，然後泵出價值1.9兆焦耳的能量。 這些雷射透過放大光學器件進行長距離的功率增強之旅，並射入空腔，空腔由金製成，直徑為5.75毫米，長度為9.425毫米。 “它是一個湯罐，但非常小[並且]由金製成，末端有兩個雷射進入的孔，”聚變團隊成員利弗莫爾物理學家黛比·卡拉漢解釋說。
雷射器在略多於一納秒的時間內使用了1.9兆焦耳的能量，在空腔內部輸送了500太瓦的功率（一太瓦是一萬億瓦）。 一團氦氣雲阻止了金等離子體入侵，否則會隨著雷射功率被空腔轉化為X射線而入侵。 這些X射線擊中膠囊的塑膠外殼，塑膠外殼吸收了最初輸入雷射能量的大約十分之一。 用颶風的話說，這足以摧毀外殼並將燃料像“火箭”一樣驅動在一起，使燃料球體坍縮，直到它在幾乎瞬間變成原始尺寸的三十五分之一，相當於從籃球大小的球體幾乎瞬間變成豌豆大小的球體。 燃料吸收了X射線傳遞到塑膠膠囊上的能量的大約十分之一。 該能量和內爆產生了一個高壓（150吉帕）區域，用於聚變，該區域甚至比燃料層本身還要小——一個直徑為60微米的熱點，根據射擊的質量，形狀像沒有孔的甜甜圈或蘋果。 “條件非常惡劣，”颶風說，並指出保持大致球形形狀的關鍵挑戰。 “大自然不喜歡在小體積內投入大量能量，因此它會與你作對。”
正是在這個熱點中，燃料達到超過5000萬開爾文（約5000萬攝氏度）的溫度，並承受相當於地球大氣壓力1500億倍的壓力。 在這些條件下產生的氘和氚聚變產生氦和一個備用中子，並在過程中釋放約17,000焦耳的能量。
換句話說，這些比太陽中心密度高出近三倍的惡劣條件釋放的能量與滑雪時速58公里/小時的滑雪者所體現的能量相同（根據颶風的計算）。 總而言之，只有大約1%的雷射能量最終進入燃料，然後燃料泵出價值17,000焦耳的能量，甚至少於製造DT燃料所需的能量。 所有這些持續了150皮秒，或150萬億分之一秒，然後聚變區自行爆炸。 “我們把所有這些能量都集中到一個非常小的體積中，以獲得高壓來促使這些反應發生，”颶風解釋說。 “這是一種權衡。 我們最終的目標是收回[能量]。”
科學家們距離所謂的點火仍然很遙遠：即任何型別的聚變釋放的能量都超過啟動它所消耗的能量的點。 而且，用於產生此結果的方法不太可能創造達到該目標所需的條件。 “透過降低可壓縮性，他們降低了可以達到的壓力，”桑迪亞國家實驗室脈衝功率科學中心主任物理學家馬克·赫爾曼解釋說，他撰寫了一篇評論，評論自然雜誌上的研究論文。
但是，該發現團隊也首次看到了產生這種聚變所需的物理過程的早期階段。 具體而言，燃料顯示出聚變物理學家喜歡稱之為“自舉”的證據。 本質上，融合氫同位素丟擲的氦核（也稱為阿爾法粒子）將其能量留在後面，維持了進一步聚變所需的條件。 這有助於使融合燃料的過熱增加一倍以上，並表明該團隊已達到實現點火所需能量的一半。 “當我們透過實驗推動它時，自舉效應會越來越明顯，”颶風說。 “看到這種效應開始發揮作用非常令人興奮，並且確實表明取得了進展。”
根據理論和計算機模型模擬，颶風和其他聚變科學家將需要將DT燃料承受的壓力大致增加一倍——達到超過300吉帕——才能實現點火。 這一壯舉將需要以每秒數百公里的速度更快地壓碎膠囊，同時為聚變熱點保持更完美的球形形狀。 可以透過嘗試使用塑膠以外的材料作為膠囊的外殼（如金剛石或鈹）或改變空腔的形狀來實現這種條件。 “目前尚不清楚圓柱體是否是最佳形狀，”卡拉漢說，並提出了橄欖球（蛋形）球的形狀作為可能的替代方案。
增加雷射功率也可能使研究人員能夠將DT燃料上的壓力增加一倍並實現點火。 但是，NIF的192束雷射（耗資約35億美元建造）是否能夠勝任這項任務尚不清楚。 “我們尚不知道是否可以在NIF上實現點火，”赫爾曼評論道。 “增加壓力以獲得點火的最簡單方法是加快內爆速度或增加聚變燃料的可壓縮性。 這兩種方法都存在增加不穩定性的風險，就像早期NIF實驗中降低聚變產量的那些不穩定性一樣。”
在啟動NIF並於2010年至2012年執行的國家點火運動期間，儘管該設施努力爭取儘可能高的能量產量，但未能實現點火。 在某種程度上，最新的這一系列實驗旨在確定哪裡出了問題。 現在看來，部分問題在於DT燃料的可壓縮性過高，這使得聚變過程本身變得太不穩定而無法控制。 “新的內爆可壓縮性較低，但更穩定，”颶風解釋說。 “我們自我限制以獲得這種控制，但這並不是我們堅持不變的事情，而是一個出發點。”
颶風將正在進行的點火探索比作攀登一座高度未知的山峰，山頂籠罩在雲霧中，因此看不見。 獲得比投入燃料更多的能量的這一步代表了一種營地，比以往任何人都走得更遠，並且可以嘗試新的路徑來達到點火的頂峰。
基於雷射的燃料壓縮是一種稱為慣性約束技術套件的一部分，它不是實現聚變的唯一手段。 物理學家還採用了磁場來塑造和容納允許聚變發生的超熱等離子體。 1997年，英國的聯合歐洲環形加速器 (JET) 從聚變中釋放了16兆瓦的功率（或在不到一秒的時間內釋放了22兆焦耳的能量），使用了價值24兆瓦的熱量——之前的記錄。 “從燃燒等離子體物理學的角度來看，NIF等離子體的效能優於JET等離子體，”羅切斯特大學物理學家裡卡多·貝蒂解釋說，因為它創造了自加熱自舉過程。
但是，基於JET設計的磁約束裝置，稱為國際熱核實驗堆，或ITER（發音為“伊特爾”），正在法國卡達拉什村附近建造。 “根據基於JET和理論的預測，ITER將產生500兆瓦的聚變功率，”JET所在的卡勒姆聚變能源中心主任物理學家史蒂文·考利說。 “等離子體的能量輸入將小於50兆瓦，而產生這種輸入的電力將約為200至250兆瓦。 這是一個實驗，所以我們不完全清楚。”
無論NIF是否實現點火，該設施都將繼續創造高密度聚變條件，事實證明，對於那些負責確保美國核武庫保持正常運轉的人員來說，這也是有用的。 現在，這個武器小組不再偶爾引爆核彈，而是依靠此類測試來創造類似於熱核武器核心的條件。 NIF射擊還模擬了在木星或棕矮星等氣態巨行星中心發現的條件。 “它使我們能夠研究以前從未接觸過的核合成過程，”聚變團隊的另一位成員利弗莫爾實驗等離子體物理學家塔米·馬說。
但是，即使有一天科學家們在NIF、ITER或其他尚未夢想到的設施中實現了點火，建造真正的聚變發電廠仍然還有很長的路要走。 首先，需要新鮮的稀有氚來源來維持聚變。 目前的想法集中在所謂的鋰包層上，該包層將受到來自聚變本身的備用中子的轟擊，從而產生更多的氦和氚，同時仍然留有一些剩餘能量用於收集以產生電力，這種想法幾乎沒有出錯的餘地。 “我們已經等待了60年才接近受控聚變——我們現在在磁約束和慣性約束方面都接近了，”考利說。 “我們必須堅持下去。”
畢竟，E = mc^2，這意味著考慮到光速，非常少量的質量可以產生大量的能量。 幾乎無限、可持續能源的前景，僅以一絲氦氣作為副產品，確保了持續的興趣，儘管NIF本身將在2015年進行審查。 就在去年，美國國家科學院國家研究委員會認可了對慣性約束聚變的持續投資，考慮到潛在的好處，儘管它也呼籲支援更多的方法，例如粒子束或脈衝磁束，而不僅僅是NIF使用的高功率雷射。 “我們的理論理解是，如果我們繼續朝著這個方向努力，我們就有機會，但我們不能真正保證結果如何，”颶風指出。 “我們無法誠實地告訴你我們何時會實現點火。 我們正在瘋狂地朝著這個方向努力。”