世界最大的核聚變設施的科學家們實現了被稱為“點火”的現象——創造了一個核反應，產生的能量超過了消耗的能量。美國國家點火裝置（NIF）於12月5日進行的這項突破性成果，今天由美國總統喬·拜登的政府宣佈，這令全球聚變研究界感到興奮。這項研究旨在利用核聚變——為太陽提供能量的現象——在地球上提供近乎無限的清潔能源。
“這是一項令人難以置信的成就，”勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（位於加利福尼亞州，也是該聚變實驗室的所在地）的武器基礎物理學副主任馬克·赫爾曼說。赫爾曼說，這項里程碑式的實驗是多個團隊多年來在雷射器、光學器件、靶丸和計算機模型等各個方面共同努力的結果。“這當然是我們慶祝的原因。”
NIF是美國能源部核武器計劃的旗艦實驗設施，旨在研究此類武器產生的反應。NIF最初的目標是在2012年實現點火，但由於延誤和成本超支而受到批評。2021年8月，NIF的科學家宣佈，他們使用高功率雷射裝置實現了創紀錄的反應，跨越了通往點火的關鍵門檻，但在隨後的幾個月中，複製該實驗（或稱“射擊”）的努力均告失敗。最終，科學家們放棄了複製該射擊的努力，並重新思考了實驗設計——這一努力在上週取得了回報。
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“有很多人認為這是不可能的，但我和其他堅持信念的人感到在某種程度上得到了證明，”紐約州羅切斯特大學聚變實驗室前主任、勞倫斯·利弗莫爾實驗室早期的NIF倡導者邁克爾·坎貝爾說。“我要喝一杯雞尾酒來慶祝。”
《自然》雜誌關注了NIF最新的實驗及其對聚變科學的意義。
NIF取得了什麼成就？
該設施使用其192臺雷射器組，將2.05兆焦耳的能量傳遞到一個豌豆大小的金 цилиндр 中，該 цилиндр 包含一個冷凍的氫同位素氘和氚的球粒。能量脈衝導致膠囊坍縮，產生了僅在恆星和熱核武器中才能見到的溫度，氫同位素聚變成氦，釋放出額外的能量，併產生了一連串的聚變反應。實驗室的分析表明，釋放的能量約為3.15兆焦耳——比投入反應的能量多出約54%，是之前1.3兆焦耳記錄的兩倍多。
“聚變研究自50年代初就開始了，這是實驗室中首次聚變產生的能量超過了消耗的能量，”坎貝爾說。
該實驗安全地符合點火的條件，點火是聚變反應的基準衡量標準，重點關注投入靶丸的能量與釋放的能量之比。然而，儘管聚變反應可能產生了超過3兆焦耳的能量——超過了傳遞到靶丸的能量——但NIF的192臺雷射器在這個過程中消耗了322兆焦耳的能量。
“這是一個重要的里程碑，但NIF不是聚變能源裝置，”紐約州伊薩卡康奈爾大學的核工程師戴夫·哈默說。
赫爾曼也承認了這一點，他說，通往雷射聚變能源的道路上還有許多步驟。“NIF的設計目的不是為了高效，”他說。“它的設計目的是成為我們能夠建造的最大的雷射器，為我們提供[核]武器儲備研究計劃所需的資料。”
為了實現點火，NIF的科學家在最新的雷射射擊之前進行了多次更改，部分原因是基於對去年進行的實驗的分析和計算機建模。除了將雷射功率提高了約8%之外，科學家們還製造了一個缺陷更少的新靶丸，並調整了雷射能量傳遞到靶丸的方式，以產生更球形的內爆。赫爾曼說，科學家們知道他們正處於聚變點火的邊緣，在這個狀態下，“微小的變化可能會產生很大的影響。”
為什麼這些結果意義重大？
在一個層面上，這關乎證明什麼是可能的，在這方面，許多科學家都讚揚這一結果是聚變科學的里程碑。但這些結果對NIF具有特殊的意義：該設施旨在幫助核武器科學家研究熱核爆炸內部發生的強烈高溫和高壓，而只有當該設施產生高產率的聚變反應時，才有可能實現這一目標。
物理學家斯蒂芬·博德納說，這花了十多年的時間，“但他們值得讚揚，因為他們實現了目標”，他曾在美國海軍研究實驗室（位於華盛頓特區）領導雷射聚變計劃。博德納說，現在最大的問題是能源部下一步將做什麼：加倍投入NIF的武器研究，還是轉向專門針對聚變能源研究的雷射計劃。
這對聚變能源意味著什麼？
最新的結果已經重新燃起了人們對清潔聚變能源驅動的未來的熱情，但專家警告說，前方還有很長的路要走。
NIF的科學家們欣然承認，該設施的設計並非以商業聚變能源為目的——許多研究人員懷疑，雷射驅動聚變是否會成為最終產生聚變能源的方法。但坎貝爾認為，其最新的成功可能會增強人們對雷射聚變發電前景的信心，並最終為專注於能源應用的新計劃開啟大門。“為了有信譽推銷能源計劃，這絕對是必要的，”他說。
勞倫斯·利弗莫爾實驗室主任金·布迪爾將這一成就描述為概念驗證。“我不想給你們一種感覺，好像我們要把NIF插入電網：這絕對不是它的工作方式，”她在華盛頓特區舉行的新聞釋出會上說。“但這是慣性約束聚變發電方案的基本組成部分。”
全球還有許多其他聚變實驗正在嘗試使用不同的方法來實現聚變能源應用。但工程挑戰仍然存在，包括設計和建造能夠提取聚變產生的熱量並利用其產生大量能量的工廠，這些能量可以轉化為可用的電力。
英國劍橋大學核能研究員託尼·魯爾斯通在給科學媒體中心的一份宣告中說：“儘管這是積極的訊息，但這一結果距離實際發電所需的能量增益還很遙遠。”
儘管如此，“NIF專注於聚變能源的實驗絕對對商業聚變發電的道路有價值，”馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的等離子體物理學家安妮·懷特說。
聚變領域的下一個主要里程碑是什麼？
為了證明NIF研究的聚變型別可以成為一種可行的能源生產方式，產率效率——釋放的能量與用於產生雷射脈衝的能量之比——需要提高至少兩個數量級。
國際核聚變專案ITER的科學與執行主管蒂姆·盧斯說，研究人員還需要大幅提高雷射器產生脈衝的速率，以及多快能夠清理靶室，以便為下一次燃燒做好準備。ITER正在法國聖保羅-萊斯-迪朗斯建造中。
懷特說：“在重複效能下，充分的聚變能量產生事件將是一個重要的關注里程碑。”
耗資220億美元的ITER專案——由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國合作——旨在實現自持聚變，這意味著聚變產生的能量會產生更多的聚變，這與NIF的“慣性約束聚變”方法不同。ITER將把氘和氚的等離子體約束在一個環形真空室（或託卡馬克裝置）中，並加熱到原子核融合。盧斯解釋說，當它在2035年開始這樣做時，它的目標是達到“燃燒”階段，“自加熱功率是主要的加熱來源”。這種自持聚變是產生比投入更多能量的關鍵。
這對其他聚變實驗意味著什麼？
NIF和ITER是世界各國政府正在追求的眾多聚變技術概念中的兩個。這些方法包括等離子體的磁約束（託卡馬克裝置和仿星器使用）和慣性約束（NIF使用），以及兩者的混合方法等等。
懷特說，從聚變發電所需的技術在很大程度上獨立於概念，最新的里程碑不一定會導致研究人員放棄或合併概念。
NIF面臨的工程挑戰與ITER和其他設施的不同。但這一象徵性的成就可能會產生廣泛的影響。“像這樣的結果將提高人們對所有型別聚變進展的興趣，因此它應該對整個聚變研究產生積極的影響，”盧斯說。
本文經授權轉載，首次發表於 2022年12月13日。