核聚变首次实现增益，人造太阳时代临近

　　随着历史性的爆炸，人们长期寻求的核聚变取得突破。
　　12月5日，美国国家点火装置（NIF）通过激光驱动方法在人类历史上首次实现净能量增益，即用于点火而输入的激光能量小于核聚变释放的能量，实现了能量的净增加。
　　艺术家对NIF空腔的构想
　　上图为点火装置的艺术构想图，国家点火装置的192束激光照射到一个金罐中。它发出炽热的光，并发出x射线，使燃料舱在其中心内爆（艺术家的构想）。
　　输出的能量大于输入的能量
　　70年来，聚变科学家一直在追求这个难以捉摸的目标，即能量增益。12月5日凌晨1点，加州国家点火设施（NIF）的研究人员终于做到了这一点，将2。05兆焦耳的激光聚焦到一个聚变燃料的小胶囊上，并引发了一场爆炸，产生了3。15兆焦耳的能量，相当于三根炸药管。
　　这非常令人兴奋，这是一个重大突破，麻省理工学院等离子体物理学家安妮怀特（AnneWhite）说，她没有参与这项工作。作为劳伦斯利弗莫尔国家实验室武器物理和设计项目负责人领导NIF的马克赫尔曼（MarkHerrmann）表示，这感觉很棒，并补充道：我为这个团队感到骄傲。
　　美国能源部（DOE）官员今天宣布的这一结果，对聚变研究人员来说是一剂强心针，他们长期以来一直被批评为承诺过高和工作不力。核聚变拥有丰富、无碳能源的诱人前景，没有裂变核能的许多令人头疼的放射性问题。但要让氢离子聚变成氦并释放能量，需要数百万摄氏度的温度这是很难实现和维持的。但NIF的结果表明，至少在几分之一秒内是可能的。三兆焦耳是一个巨大的能量。这表明有些东西在起作用。伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家史蒂文罗斯说。
　　尽管宣传上大张旗鼓，核电站仍然是一个遥远的梦想。NIF从未设计用于商业发电。其主要功能是制造微型热核爆炸，并提供数据以确保美国核武器库的安全可靠。许多研究人员认为，类似熔炉的托卡马克是一种更好的商业动力设计，因为它们可以承受更长时间的聚变燃烧。在托卡马克中，微波和粒子束加热燃料，磁场将其捕获。怀特说：挑战是使其变得强大和简单。
　　然而，先进的托卡马克装置，例如法国正在建设的ITER反应堆，却一点也不简单。它大大超出了预算，本来计划中早该实现，现在预计最早要到2030年代末才能达到收支平衡。随着NIF的成功，这种基于激光的惯性聚变能的支持者将寻求资金，看看它们能否与托卡马克竞争。
　　耗资35亿美元的NIF于2010年开始了点火活动。它的激光器位于一座三个美国足球场大小的建筑内，可提供强大的、纳秒长的红外脉冲，分为192束，可转换为紫外光。光束聚焦在目标上一个铅笔橡皮擦大小的金罐，里面装有一个胡椒粒大小的燃料舱。加热到数百万度后，黄金会发出x射线，使胶囊的钻石外壳蒸发。爆炸的钻石使燃料内爆，压缩并加热燃料。
　　如果燃料的压缩足够对称，聚变反应从中心热点开始，并顺利向外传播，聚变产生的热量引发更多燃烧。这种自我维持的燃烧是点火的定义，经过十多年的努力，NIF科学家在2021年8月的一次发射产生了70的输入激光能量后宣布他们已经达到了这一里程碑。但NIF的资助者，DOE的国家核安全管理局，将NIF的目标设定为能源收益大于1即他们在上周刚刚超过的阈值。
　　太阳的持续燃烧来源正是核聚变
　　多跑一英里并不容易。2021年8月产生70的输入能量后，NIF团队发现无法重复这一实验。他们研究发现，使用一个光滑的钻石胶囊是关键：2021年8月的那一个是他们制作的最光滑、最接近球形的腔。Herrmann说：我们必须学习如何使腔体更好。。他们还使真空腔略厚，这为内爆提供了更大的动量，但需要更长、更强大的激光脉冲。因此，他们调整了激光，将能量从1。9兆焦耳提高到2。05兆焦耳。
　　9月的一次点火产生了1。2兆焦耳的能量，这表明NIF的研究人员走上了正确的轨道，但仍存在问题：燃料被挤压成薄饼而不是一个紧密的球。通过调整192束激光的能量，他们能够获得更为球形的内爆，上周他们终于取得重大突破。罗切斯特大学激光能量学实验室的里卡多贝蒂说：物理现象已经被证实。
　　然而，如果增益意味着产生比输入电力更多的输出能量，NIF做的则还远远不够。它的激光器效率很低，需要数百兆焦耳的电力才能产生2兆焦耳的激光和3兆焦耳的聚变能量。此外，供应NIF的发电厂需要将重复频率从每天一次提高到每秒10次左右。每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百万个腔体，这是一个巨大的工程挑战。
　　贝蒂表示，NIF计划还有另一个低效之处。它依靠间接驱动，即激光轰击金罐，产生x射线，从而引发聚变。他说，只有大约1的激光能量进入燃料。他倾向于直接驱动，这是他的实验室采用的一种方法，即激光束直接照射到燃料舱上，并沉积5的能量。但DOE从未资助过开发惯性聚变发电的项目。2020年，该机构的聚变能源科学咨询委员会在Betti和White合著的一份报告中建议应该这样做。我们需要一种新的范式，贝蒂说，但还没有明确的路径来实现它。
　　既然NIF已经破解了这一难题，研究人员希望激光聚变将获得信任，并可能会有更多的资金流入。经过漫长的跋涉才来到这里，贝蒂开玩笑说要传递接力棒。这是非常重要的第一步，他说。我们现在已经做到了，所以我可以退休了。
　　Science报道链接：
　　https：www。science。orgcontentarticlehistoricexplosionlongsoughtfusionbreakthrough