美国可控核聚变 4 次点火成功，刷新纪录登 Nature！首席女科学家入选年度十大人物

美国可控核聚变实验，四次实现净能量增益！

去年 12 月 14 日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次实现可控核聚变点火成功，为全人类摘下清洁能源「圣杯」——

在向目标提供 2.05 兆焦耳（MJ）的能量之后，产生了 3.15 兆焦耳的核聚变能量输出，能量增益约为 1.5。

2023 年 7 月 30 日，实验室首次实现 3.88 兆焦耳的输出能量，创下历史最高。

10 月 30 日，实验室再刷记录 —— 输入能量首次达到 2.2 兆焦。同时，3.4 兆焦耳的输出能量也位列第二。

面对一次又一次的成功「点火」，Nature 也激动地发文表示 —— 激光核聚变即将进入一个全新的时代。

可以想象，当可控核聚变最终实现时，人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源，彻底改变未来的能源路线图。

也就是说，到了那时，就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体，不再有危险、长效的放射性废物 —— 人类将得到真正意义上的「清洁能源」。

这意味着进入电气时代后，一直困扰着人类的能源紧缺问题将从此消失。人类甚至能在可控核聚变带来的恒星级能源中，实现前所未有的科技突破。

四次成功点火，连续刷新记录

不过，让我们先回到现实。

让激光器提供如此巨大能量的真正难点在于，如何保护 NIF 珍贵的光学元件不会受到碎片的损伤。

NIF 是世界上唯一一个能在损伤阈值以上运行的激光系统，而这在一定程度上就得益于实验室研发的光学回收循环系统。

强化光学元件

2023 年 6 月，NIF 完成了两项关键的改进措施，这对实现 2.2 兆焦耳的输入能量来说至关重要。

包括在 NIF 三分之二的光束线上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，以及在 32 条下半球光束线上安装金属屏蔽。

这些改进将由碎片引起的损伤率降低了 10 到 100 倍，具体取决于光束线。由于重力原因，较低光束线的光学元件接收到了来自靶室最多的碎片。

除此之外，其他的改进还包括，新的抗反射涂层、蒸汽六甲基二硅氨烷（HMDS）处理和光学回收循环容量的增加。以及新的「灰边阻断器」，用于解决一个科学家们尚未完全确定的问题。

不只是能量的增加

要维持 NIF 在科学领域取得的惊人突破，单靠增加能量是远远不够的 ——

激光脉冲的持续时间仅为几十亿分之一秒，因此需要极高的精确度才能达到理想效果。

为了达到这个目标，团队最近完成了高保真脉冲整形（HiFiPS）系统的部署工作。

作为一个历时多年的项目，HiFiPS 能够更精确、更准确的脉冲整形，进而在内爆中实现更好的功率平衡和对称性控制。

此外，团队还翻新了设施中的光纤，使其更能承受反复的中子暴露。这些光纤用于精确测量传递给目标的激光脉冲。

翻新后，信号强度直接提高了 10 到 100 倍，而研究人员也能够继续准确地「观测」激光性能。

然而，从目前的技术水平到实现向电网提供聚变能源，仍然有很长的路要走。

尽管 NIF 拥有目前世界上最大的激光器，但该系统效率极低，在每次点火中，有超过 99% 的能量在到达目标前就已损失殆尽。

而开发更高效的激光系统，便是 DOE 新启动的惯性聚变研究计划的一个重要目标。

最近，该部门宣布将在四年内投入 4200 万美元，建立三个新的研究中心，来共同努力实现这一目标及其他科学进步。

其中，每个中心都将包括国家实验室、大学研究人员和行业合作伙伴。

首席科学家，入选 Nature 十大科学人物

而整个核聚变计划的核心人物之一，物理学家 Annie Kritcher，也成功入选了 Nature 年度十大科学人物。

2022 年，Annie Kritcher 在国家点火装置（NIF）上实现了一个几十年来全世界实验室都难以实现的目标 —— 将原子压缩到极致，使得它们的核发生融合，并产生出比反应本身消耗的还要多的能量。

但是，在达到这一实验里程碑（即点火）之后，团队面临着重复这一成就的压力。

高风险的研究很少能一帆风顺：团队在 6 月份进行了首次复现，但结果却差强人意。

好在，第三次尝试取得了成功。7 月 30 日，NIF 的 192 束激光向悬浮在金圆筒中冷冻的氢同位素氘和氚小球发射了 2.05 兆焦耳的能量。

由此引发的内爆使同位素在融合成氦的过程中释放出能量，并产生了 6 倍于太阳核心的温度。最终，这些创造出了破纪录的 3.88 兆焦耳聚变能。

放眼世界，在 NIF 取得这一成就之前，还没有哪个实验室可以实现输出能量大于消耗能量的聚变反应。

随后，Kritcher 和她的团队又在 10 月份成功地进行了两次点火，从而让总点火次数达到了四次。

2004 年，Kritcher 在利弗莫尔进行暑期实习时，就开始研究聚变能源。很快她就将目光投向了 NIF—— 世界上为数不多可以研究聚变反应的地方。

2012 年，Kritcher 正式加入 NIF。

从那时起，她就带领团队分析实验数据，并使用计算机模型设计实验 —— 通过调整目标的大小和配置以及各种激光束的能量和时间等参数，实现并提高核聚变产量。一旦她的团队完成设计，实验团队就会接手发射激光并收集数据。

过程中，Kritcher 表现出了非常卓越的能力，而这也让她在 2016 年成为了 NIF 的首席设计师之一。

在接下来的几年里，Kritcher 和她的团队一直在对 NIF 的主要实验项目进行数字运算和设计调整。在对目标进行各种改动的同时，团队还利用各种改进措施提高了激光的总体能量。结果就是，核聚变的实现，越来越频繁了。

随着「点火」的成功，Kritcher 又开始了一系列新的实验 —— 通过向更厚的靶囊提供更多的激光能量来再次提高产量。

而这也代表着，NIF 向实现数十兆焦耳甚至更高产能的目标，又迈进了一步。

可控核聚变，清洁能源的「圣杯」

简单地说，「核聚变」就是两个轻原子核结合成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。

两个氢原子碰撞并聚合成氦原子，氦的质量比原来的氢原子略小。根据爱因斯坦标志性的 E=mc² 质能方程，这个质量差会转化为能量爆发出来。

在太阳的核心，每秒都在发生 6.2 亿吨氢的核聚变。产生的能量，是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚变的一大难题之一，就是如何让核聚变反应释放的能量大于输入的能量，并且让过程可持续。

NIF 点火原理

20 世纪 60 年代，LLNL 的一组先锋科学家就作出假设：激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。

随后，在物理学家 John Nuckolls 的领导下，这一革命性的想法演变为惯性约束核聚变。

为了实现这一概念，LLNL 建立了一系列越来越强大的激光系统，最终建立了世界上最大、能量最强的 NIF。

实验中，激光器模仿了太阳中心的条件，将重氢同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若干氢气小球被放入胡椒粒大小的装置中，然后使用强大的 192 束激光，加热和压缩氢燃料。

激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出 X 射线，然后这些 X 射线可以将其加热到 1 亿摄氏度 —— 比太阳中心还热，并将其压缩到地球大气压的 1000 亿倍以上。

高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。

在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应 —— 也就是「点火」，随之便会放出大量能量。

工程奇迹

而让以上这些能够成为现实的国家点火装置（NIF），在工程和技术方面也是一个了不起的成就。

材料科学家和激光物理学家与工程师合作设计了一个包含 7,500 个大型光学元件、26,000 个小型光学元件和 66,000 多个控制点的设施。

这些光学元件和其他组件包含在大约 6200 个被称为「产线可换单元」（LRUs）的复杂模块化装置中。在必要时可以快速更换，以确保设施的连续运行。

NIF 激光脉冲从主振荡器室的初始脉冲形成到达目标，全程一公里，耗时 4.5 微秒。到达目标室中心的时间相差 30 皮秒，精度为 50 微米。

要达到这样的指向稳定性和目标的绝对精确度，在工程设计上是一个极大的挑战，需要光学支持系统具有坚如磐石的稳定性、部件的精确定位和对准以及严格精确的计算机计时系统。

为了应对这些挑战，所有支撑 NIF 反射镜和透镜的结构在设计时都考虑到了极高的稳定性。

工程团队针对包括水泵、电机和变压器在内的所有振动源，细致地计算了可能会对激光组件（通常是激光反射镜）产生的影响。

通过细致的建模，振动（>1Hz）和漂移（<1Hz）的设计都得到了满足。测试结果表明，原型光束线的性能可以达到或优于 50 微米的要求。

此外，为确保光束线组件不影响激光净空，团队还采用了精密测量技术，从而建立严格的测量网络，并控制好所有光束线组件的物理位置。所有光束外壳、支持系统和靶室的位置都精确到四分之一毫米。

这些信息随后被提供给设计团队，他们设计的结构既要有足够的刚度，又要有足够的阻尼，使结构对地面振动和建筑设备预期振动的响应符合整体稳定性要求。

确保所有 192 束激光在规定的 30 皮秒内到达，是通过使用 GPS 卫星系统不断更新内部时钟的精确定时系统实现的。集成的软件和硬件不断监测和更新定时，以保持精确度。

每个机械接口的设计公差优于 300 飞秒（万亿分之三秒），因此可以随时更换 LRU，以保持定时精度。此外，严格控制的程序可保持每个 LRU 的系统定时。

虽然，我们现在还不能借助这个装置，将核聚变要真正应用于发电。

但是在 60 年的尺度上，人类已经取得了重大的突破。

对于未来，我们或许也可以抱有更多的想象力。

参考资料：

• https://www.nature.com/articles/d41586-023-04045-8

• https://www.nature.com/articles/d41586-023-03923-5

• https://lasers.llnl.gov/news/llnls-nif-delivers-record-laser-energy

• https://lasers.llnl.gov/news/nif-an-engineering-marvel

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