的梦想 聚变功率 2022 年 12 月，当研究人员 劳伦斯利弗莫尔国家实验室 （LLNL）透露 聚变反应产生的能量超过启动它所需的能量。 根据新的研究，这一瞬间的融合壮举需要精致的编排和广泛的准备工作，其高度的难度表明，在任何人敢于希望手头能有实用的能源之前，还有很长的路要走。
加州实验室取得了突破性成果 国家点火装置 (NIF)，它使用 192 个高功率激光器阵列来爆炸微小的颗粒 氘和氚 过程中的燃料称为 惯性约束聚变。 这会导致燃料内爆，将其原子粉碎在一起，产生比太阳中心更高的温度和压力。 然后原子融合在一起，释放出大量的能量。
“它表明没有什么从根本上限制我们在实验室中利用核聚变。” ——安妮·克里彻，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室
该设施已 自2011年开始运行，并且在很长一段时间内，这些反应产生的能量明显小于泵入燃料的激光能量。 但在 2022 年 12 月 5 日，NIF 的研究人员宣布，他们最终实现了收支平衡，产生的能量是启动聚变反应所需能量的 1.5 倍。
A 新文章 昨天发表于 物理评论快报 证实了该团队的说法，并详细介绍了实现这一目标所需的复杂工程。 虽然结果强调了未来的大量工作， 安妮·克里彻领导该实验设计的 LLNL 物理学家表示，这仍然标志着聚变科学的一个重要里程碑。 “这表明没有什么从根本上限制我们在实验室中利用核聚变，”她说。
虽然该实验被认为是一项突破，但克里彻表示，这实际上是对该设施的设备和流程进行艰苦渐进改进的结果。 特别是，该团队花了数年时间完善燃料芯块和容纳它的圆柱形金容器的设计，被称为“空腔”。
为什么融合这么难？
当激光击中该胶囊的外部时，它们的能量会转化为 X 射线，然后爆炸燃料芯块，该燃料芯块由内部涂有氘和氚燃料的金刚石外壳组成。 克里彻说，黑腔尽可能对称至关重要，这样才能将 X 射线均匀地分布在颗粒上。 这确保了燃料从各个侧面受到均匀的压缩，使其达到聚变所需的温度和压力。 “如果你不这样做，你基本上可以想象你的等离子体朝一个方向喷射，而你无法挤压它并对其进行足够的加热，”她说。
此后，该团队又进行了六项实验，其中两项实验产生的能量与投入的能量大致相同，另外四项实验则大大超过了投入的能量。
克里彻说，仔细调整激光束也很重要，因为激光会从黑腔中散射出来，降低效率并可能损坏激光光学器件。 此外，一旦激光开始撞击胶囊，它就会开始释放出一股干扰光束的等离子体。 “这是一场与时间的赛跑，”克里彻说。 “我们正试图在这种情况发生之前将激光脉冲引入那里，因为那样你就无法让激光能量到达你想要的地方。”
设计过程进展缓慢，因为该设施每年只能进行几次拍摄，限制了团队的迭代能力。 由于我们对其中的极端物理了解甚少，因此提前预测这些变化将如何发生是具有挑战性的。 “我们正在用世界上最大的激光轰击一个微小的目标，而大量的垃圾飞得到处都是，”克里彻说。 “我们正在努力将其控制在非常非常精确的水平。”
尽管如此，通过分析之前的实验结果并使用计算机建模，该团队还是能够解决这个问题。 他们发现，使用功率稍高的激光器，并在燃料芯块周围加上较厚的金刚石壳，可以克服芯块表面缺陷造成的不稳定影响。 此外，他们发现这些修改还可以帮助将聚变反应限制足够长的时间，使其能够自我维持。 最终的实验最终产生了 3.15 兆焦耳的能量，远高于激光器产生的 2.05 兆焦耳的能量。
从那时起，该团队又进行了六项实验——其中两项实验产生的能量与投入的能量大致相同，另外四项实验则大大超过了投入的能量。 克里彻表示，持续实现盈亏平衡是一项重大成就。 然而，她补充说，产生的能量的显着变化仍然是研究人员需要解决的问题。
不过，这种不一致并不令人意外。 萨斯基亚·莫迪克，物理学副教授 威廉玛丽学院 在弗吉尼亚州。 她说，产生的能量与反应的自我维持程度密切相关，而反应的自我维持程度可能会受到设置中非常小的变化的影响。 她将这一挑战与登陆月球进行了比较——我们知道如何做到这一点，但这是一个巨大的技术挑战，无法保证你能坚持登陆。
与此相关的是，罗切斯特大学的研究人员 激光能量学实验室 今天 报道 在日记中 自然物理学 他们开发了一种惯性约束聚变系统，其尺寸是 NIF 的百分之一。 研究小组指出，他们的 28 千焦耳激光系统至少可以产生比中心等离子体更多的聚变能——这一成就正在迈向 NIF 的成功之路，但仍存在一定距离。 他们将自己开发的产品称为“火花塞“朝着更有活力的反应。
NIF 和 LLE 新报告的结果都代表了发展道路上的步骤——不过，如果惯性约束核聚变不仅仅是一种研究好奇心，那么在这两种情况下，这条道路仍然漫长且充满挑战。
除了上述障碍之外，还存在许多其他障碍。 目前的计算将产生的能量与 NIF 激光器的输出进行比较，但这忽略了这样一个事实，即激光器从电网吸取的功率是任何聚变反应产生的功率的 100 倍以上。 这意味着能量增益或激光效率需要提高两个数量级才能在任何实际意义上实现收支平衡。 克里彻说，NIF 的燃料颗粒也极其昂贵，每颗的价格都为 估计100,000美元。 然后，产生合理的功率意味着大幅增加 NIF 的发射频率——对于需要数月时间才能加载下一次纳秒长爆发的反应堆来说，这一壮举几乎遥不可及。
“这些是最大的挑战，”莫迪克说。 “但我认为，如果我们克服这些问题，那么到那时就真的没那么难了。”
更新：2024 年 2 月 6 日下午 6 点（东部时间）： 该报道已更新，包括罗切斯特大学激光能量学实验室新研究发现的消息。
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