随着爆炸性新结果，激光驱动聚变努力接近“点火”

一位艺术家的渲染展示了国家点火设施的192束光束如何进入一块橡皮大小的黄金圆柱体，并从内部加热它以产生x射线，然后x射线在其中心内爆燃料舱以产生聚变。

随着爆炸性新结果，激光驱动聚变努力接近“点火”

 丹尼尔·克莱亚格著。2021年8月17日上午11点 

十多年前，世界上最高能的激光开始向氢同位素的小胶囊发射冲击波，管理人员承诺它将很快展示一条通向无限聚变能的途径。现在，国家点火设施(NIF)已经朝着这个目标迈出了一大步。上周，一束激光引发了一个胡椒粒大小的燃料舱的聚变爆炸，产生的能量是该设施所能产生的能量的八倍:1.35兆焦耳(MJ)——大约相当于一辆汽车以每小时160公里的速度行驶时的动能。这也是触发它的激光脉冲能量的70%，使它非常接近“点火”:产生过量能量的聚变发射。 “经过多年3%的点火率，这是非常令人兴奋的，”马克·赫尔曼说，他是NIF劳伦斯利弗莫尔国家实验室聚变项目的负责人。 NIF的最新照片“证明了少量能量，内爆少量质量，可以得到聚变。罗彻斯特大学激光能量学(LLE)实验室主任、物理学家迈克尔·坎布尔说。 “这是一项了不起的成就，”伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任、等离子体物理学家史蒂文·罗斯补充道。“这让我感到非常愉快。……感觉像是一个突破。” 现在还不算太早，因为多年的缓慢进展引发了人们对激光驱动聚变是否有实际未来的质疑。现在，根据LLE首席科学家里卡多·贝蒂的说法，研究人员需要问:“你能从NIF获得的最大聚变产量是多少？这才是真正的问题。” 为恒星提供能量的聚变迫使小原子核融合成大原子核，释放出大量能量。由于加入原子核所需的热和压力，核聚变在地球上极难实现，它继续吸引着科学和商业兴趣，因为它有望提供丰富的能源，对环境影响很小。 然而，在众多正在研究的方法中，没有一种方法产生的能量比引起反应所需的能量更多。被称为托卡马克的大型环形反应堆长期以来一直是实现净能量增益的领跑者，该反应堆利用磁场将超高温等离子体囚禁足够长的时间，以将原子核加热至聚变温度。但是这个耗资250亿美元的法国ITER项目预计不会再持续10年以上，尽管私人聚变公司承诺会取得更快的进展。 NIF的方法被称为惯性约束聚变，它使用一个巨大的激光器，安装在一个相当于几个美国足球场大小的设施中，产生192束光束，在一个短暂而强大的脉冲中聚焦到一个目标上——大约20纳秒内1.9兆焦耳。目标是将尽可能多的能量送入目标舱，目标舱是一个小型球体，里面装有氢同位素氘和氚，安装在一个铅笔橡皮擦大小的金圆柱体内。黄金蒸发，产生x射线脉冲，使太空舱内爆，将聚变燃料驱动成一个小球，其温度和密度足以点燃聚变。理论上，如果这种微小的聚变爆炸能够以每秒10次的速度被触发，发电厂就可以从产生的高速中子中获取能量来发电。 当NIF发射时，计算机模型预测会很快成功，但是早期的聚变发射每颗只能产生大约1千焦。为了更好地理解内爆的物理原理，人们付出了长期的努力，到去年，拍摄的照片产生了100千焦。关键的改进包括平滑燃料舱表面的微小凸起和凹坑，减小燃料舱中用于喷射燃料的孔的尺寸，缩小金圆筒中的孔以减少能量逸出，以及延长激光脉冲以使燃料向内驱动更长时间。这一进展是迫切需要的，因为NIF的资助者，国家核安全局，正在减少用于点火的镜头，转而使用其激光进行其他模拟核武器运行的实验。

今年早些时候，通过各种方式将这些改进结合起来，NIF团队制作了几个超过100千焦的镜头，其中包括一个170千焦的镜头。这一结果表明，NIF最终创造了一种“燃烧的等离子体”，在这种等离子体中，聚变反应本身为更多的聚变提供了热量——这种失控的反应是获得更高产量的关键。然后，在8月8日，一个镜头产生了引人注目的1.35兆焦耳。“这对每个人来说都是一个惊喜，”赫尔曼说。“这是一个全新的政权。” 赫尔曼说，到底哪些改进影响最大，哪些组合将带来未来的收益，这需要一段时间才能揭晓，因为在最新的一张照片中，几个改进同时进行了调整。“这是一个非常非线性的过程。这就是为什么它被称为点火:这是一个失控的事情，”他说。但是，“这给了我们更多的鼓励，让我们可以走得更远。” 然而，Herrmann的团队距离考虑聚变发电厂还有很长的路要走。坎贝尔说:“在实验室中获得聚变真的很难，获得经济聚变动力更难。“所以，我们都要有耐心。”NIF的主要任务仍然是确保美国的核武器储备安全可靠；聚变能是一种副业。但赫尔曼说，达到点火并能够研究和模拟这一过程也将“打开一扇新的管理之窗”，因为不受控制的聚变为核武器提供动力。 Herrmann承认，当他上周收到同事的短信，说他们从最近的拍摄中获得了“有趣”的结果时，他担心仪器可能出了问题。当事实证明并非如此时，“我确实开了一瓶香槟。”