核聚变实验在瞬间释放出10万亿瓦的能量

　　据该实验的研究人员称，破纪录的核聚变实验在瞬间释放出10万亿瓦的能量，其背后的秘密已被揭开：燃料舱内的中子重氢等离子体＂自热＂或＂燃烧＂。
　　据《Live Science》当时报道，去年，北加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家宣布，在国家点火装置 (NIF) 释放1.3兆焦耳能量的时间为100万亿分之一秒。
　　在两篇新的研究论文中，NIF 的科学家们表明，这一成就归功于世界上最强大的激光系统核心的微小空腔和燃料舱的精密工程，聚变发生的地方。
　　研究人员报告说，虽然燃料舱只有大约一毫米（0.04 英寸）宽，而且聚变反应只持续了最短暂的时间，但它的输出相当于每时每刻撞击地球的太阳光能量的10%左右。 .
　　研究人员表示，该反应释放出如此多的能量，因为聚变过程本身将剩余的燃料加热成足够热的等离子体，从而能够进行进一步的聚变反应。
　　劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的物理学家安妮·克里彻 (Annie Kritcher) 说：＂燃烧的等离子体是指聚变反应产生的热量成为等离子体中主要的加热源，超过了启动或启动聚变所需的热量。＂
　　克里彻是1月26日发表在《自然物理学》杂志上的一项研究的主要作者，该研究描述了NIF如何优化以实现燃烧等离子体，并且是同一天发表在《自然》杂志上的另一项研究的共同作者，该研究详细介绍了NIF在2020年和2021年初的第一次燃烧等离子体实验。
　　罐子里的恒星
　　核聚变是为太阳等恒星提供能量的过程。它与核裂变不同，核裂变用于地球上的发电厂，通过将重原子核（如钚）分裂成更小的原子核来产生能量。
　　当原子核＂融合＂——即结合在一起——形成更大的原子核时，核聚变会释放大量能量。
　　最简单的聚变类型是由氢提供燃料，研究人员希望有朝一日可以利用地球海洋中丰富的氢将核聚变发展为一种相对＂清洁＂的能源。
　　因为恒星非常大，它们强大的引力意味着聚变反应发生在非常高的压力下。但是在地球上这样的压力是不可行的——因此聚变反应必须在非常高的温度下进行。
　　（根据盖-吕萨克定律，在给定体积内，随着气体温度的升高，压力也会升高，反之亦然。）
　　不同的实验者提出了在高温下维持聚变反应的不同方法，美国国家点火设施专门研究一种称为＂惯性约束＂的方法。
　　它通过使用192支高功率激光器在中心撞击一小颗氢气球来产生高温，这些激光器本身会消耗大量能量，并且每天只能发射一次左右。
　　惯性约束方法是用于测试热核武器的先驱，它距离成为一种可行的动力源还有很长的路要走——这样的动力源必须每秒蒸发几个这样的燃料芯块，才能产生足够大的能量输出来产生有用数量的核燃料。
　　但是NIF最近在实现非常高的能量输出方面取得了成功，即使只是非常短暂的时刻。2021年8月的实验几乎从燃料颗粒中产生的能量与投入其中的能量一样多，研究人员预计未来的实验会更加强大。
　　惯性约束
　　这两项新研究描述了在 10 万亿瓦反应前几个月进行的燃烧等离子体实验；那些早期的实验最终从一个只有 200 微克（0.000007 盎司）的氢燃料颗粒中产生了 170 千焦的能量——大约是早期实验能量输出的三倍。
　　它是通过仔细塑造燃料舱——一个包围颗粒的聚碳酸酯金刚石的微小球形外壳——以及包含它的空腔——一个内衬金的贫化（不是非常放射性）铀的小圆柱体，被称为空腔来实现的。
　　新设计使加热弹丸的 NIF 激光器在空腔内更有效地运行，并且胶囊的热壳在燃料弹丸＂内爆＂时迅速向外膨胀——结果燃料在如此高的温度下熔化它将颗粒的其他部分加热成等离子体。
　　物理学家亚历克斯·兹尔斯特拉（Alex Zylstra）在一封电子邮件中告诉《 Live Science》：＂这很重要，因为它是从聚变中产生大量能量的必要步骤，相对于我们投入的能量而言。＂ 兹尔斯特拉领导了最初的燃烧等离子体实验，并且是在《自然》 发表相关文章的主要作者。
　　他说，尽管在将惯性约束聚变用作动力源之前还需要更多的科学里程碑，但实现＂燃烧＂等离子体的步骤将使科学家能够更多地了解这一过程。
　　＂在 NIF 燃烧等离子体现在处于一个新的制度中，我们可以在其中科学地研究这种条件，＂兹尔斯特拉说，
　　克里彻补充说，这一突破将使人们更好地了解核聚变，该核聚变可用于其他类型的聚变反应——例如在托卡马克中发生的反应——而不仅仅是通过惯性约束聚变实现的反应。
　　＂这项工作很重要，因为它提供了一种新的等离子体物理学机制，这将为整个聚变界提供丰富的理解，＂克里彻说。