上個月，美國國家點火裝置 (NIF) 自去年 12 月以來首次全功率發射雷射，當時它實現了其數十年的“點火”目標，即在核反應中產生的能量超過了消耗的能量。最新的執行結果與此相去甚遠：NIF 的輸出僅為去年年底的 4%。但科學家們並沒有期望它能達到那個水平。
在 NIF 成功的基礎上，他們現在正在發揮該計劃的實驗能力，試圖更好地瞭解核聚變設施的能力。在這裡，《自然》雜誌著眼於 NIF 的未來，以及它是否將推動全球努力，為地球創造巨大的清潔能源供應。
最新實驗的目標是什麼？
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NIF 位於加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL)，是一個體育場大小的設施，它向一個微小的金筒發射 192 束雷射，金筒內裝有一個金剛石 капсула。 капсула 內裝有冷凍的氫同位素氘和氚顆粒。雷射觸發內爆，產生極高的熱量和壓力，從而驅動氫同位素聚變成氦，釋放出額外的能量。
使該方案奏效的主要挑戰之一是製造金剛石 капсула。即使是最小的缺陷（細菌大小的麻點、金屬汙染或形狀和厚度的變化）也會影響內爆，從而影響驅動聚變反應的壓力和熱量。
2021 年和2022 年破紀錄的實驗使用了最好的 капсула，但在 3 月份，在等待新批次時，NIF 科學家使用了一個一側比另一側厚的 капсула 進行了實驗。模型表明，他們可以透過調整來自雷射的光束來抵消這種缺陷，從而產生更均勻的內爆。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室慣性約束聚變科學專案負責人、物理學家理查德·湯恩說，這是對他們的理論預測的測試。
結果沒有達到他們的預測，研究人員現在正在努力瞭解原因。但湯恩說，如果這條調查路線取得成功，“它將為我們開啟更多 капсула 的使用，並將提高我們對內爆的理解”。
NIF 的下一步是什麼？
科學家們在 12 月透過提高雷射能量和增加 капсула 厚度取得了成功，這有助於延長聚變反應的時間。負責該活動設計的物理學家安妮·克里徹說，今年晚些時候的實驗將遵循類似的策略。
從長遠來看，目標是將聚變反應產生的能量從去年的 3.15 兆焦耳增加到數百兆焦耳。湯恩認為，透過進一步提高進入目標的雷射能量等方式，可以將 NIF 的能量輸出提高到數千萬兆焦耳。但他警告說，NIF 可能很快需要進行重大的安全升級：該設施的額定聚變輸出功率僅為 45 兆焦耳。在進行任何可能接近該極限的實驗之前，實驗室需要在戰略位置加固容納反應的近 2 米厚的混凝土牆。
這如何幫助推動為地球創造聚變能源？
NIF 從未被設計成發電廠。它的主要目標是幫助科學家驗證美國核武庫中的武器是否可靠和安全，方法是重現和研究其核心的反應。但馬里蘭州蓋瑟斯堡倡導組織 Fusion Power Associates 的總裁斯蒂芬·迪恩說，12 月實現點火“是一個門戶事件，為能源計劃打開了大門”。
破紀錄的實驗產生的能量比輸送到金筒的能量多出約 50%——重要的是，幾乎是集中在內部燃料顆粒上的能量的 13 倍。對於華盛頓特區海軍研究實驗室的物理學家馬克斯·卡拉西克來說，這突出了他和其他人正在追求的潛在前進道路：放棄金筒，將雷射直接聚焦在燃料顆粒上，這是一種稱為直接驅動的實驗設計。
卡拉西克說，在這種配置中，“有更多的能量可用於壓縮燃料顆粒”。
但聚變能源未來的挑戰是艱鉅的。在 12 月的里程碑式實驗中，NIF 的雷射消耗了 322 兆焦耳的能量。迪恩說，為了向公眾輸送電力，雷射聚變電廠需要產生比輸入能量多 100 倍的能量，並且其雷射需要每秒發射約 10 次。這意味著需要設計一個系統，該系統每天可以準確地聚焦和發射數十萬個目標的雷射。
實驗室官員表示，憑藉目前的設計，NIF 仍將是科學家可以從高產雷射聚變實驗中學習的地方。但與此同時，私營公司正越來越多地提出替代解決方案。
去年，美國總統喬·拜登的政府概述了其願景，即在白宮峰會上建立公私合作的聚變能源夥伴關係。私營部門將在開創新的聚變技術方面發揮主導作用，而美國能源部 (DOE)（NIF 是其一部分）將推進材料科學、先進製造和建模等更廣泛領域的知識，這些知識對於商業化至關重要。
在未來 18 個月內，能源部希望向私營聚變公司發放 5000 萬美元的贈款，這是一個以里程碑為基礎的專案，其模式類似於 NASA 與 SpaceX 等太空運輸公司的合作。然而，雷射聚變公司將與追求其他聚變設計的公司競爭。最受歡迎的設計之一是託卡馬克，這是一種利用磁場來約束甜甜圈形“環面”中聚變反應產生的燃燒等離子體的裝置。這是世界上最大的聚變實驗 ITER 在法國聖保羅萊迪朗斯使用的方法。
成功的機率有多大？
關於聚變能源的老笑話是，它將在 50 年後實現，而且永遠都是如此。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的前科學家、目前在德克薩斯州奧斯汀市的私營雷射聚變公司 Focused Energy 擔任科學主任的普拉韋什·帕特爾說，現在許多科學家表示，該等式的前端更接近 20-30 年，但這實際上只是一個資金問題。
“作為一名科學家，我認為聚變能源是不可避免的，”他說。“問題只是我們希望它多快起作用，這取決於資源。”
本文經許可轉載，首次發表於2023 年 4 月 26 日。