世界最大的核聚变设施的科学家们实现了被称为“点火”的现象——创造了一个核反应，产生的能量超过了消耗的能量。美国国家点火装置（NIF）于12月5日进行的这项突破性成果，今天由美国总统乔·拜登的政府宣布，这令全球聚变研究界感到兴奋。这项研究旨在利用核聚变——为太阳提供能量的现象——在地球上提供近乎无限的清洁能源。
“这是一项令人难以置信的成就，”劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（位于加利福尼亚州，也是该聚变实验室的所在地）的武器基础物理学副主任马克·赫尔曼说。赫尔曼说，这项里程碑式的实验是多个团队多年来在激光器、光学器件、靶丸和计算机模型等各个方面共同努力的结果。“这当然是我们庆祝的原因。”
NIF是美国能源部核武器计划的旗舰实验设施，旨在研究此类武器产生的反应。NIF最初的目标是在2012年实现点火，但由于延误和成本超支而受到批评。2021年8月，NIF的科学家宣布，他们使用高功率激光装置实现了创纪录的反应，跨越了通往点火的关键门槛，但在随后的几个月中，复制该实验（或称“射击”）的努力均告失败。最终，科学家们放弃了复制该射击的努力，并重新思考了实验设计——这一努力在上周取得了回报。
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“有很多人认为这是不可能的，但我和其他坚持信念的人感到在某种程度上得到了证明，”纽约州罗切斯特大学聚变实验室前主任、劳伦斯·利弗莫尔实验室早期的NIF倡导者迈克尔·坎贝尔说。“我要喝一杯鸡尾酒来庆祝。”
《自然》杂志关注了NIF最新的实验及其对聚变科学的意义。
NIF取得了什么成就？
该设施使用其192台激光器组，将2.05兆焦耳的能量传递到一个豌豆大小的金 цилиндр 中，该 цилиндр 包含一个冷冻的氢同位素氘和氚的球粒。能量脉冲导致胶囊坍缩，产生了仅在恒星和热核武器中才能见到的温度，氢同位素聚变成氦，释放出额外的能量，并产生了一连串的聚变反应。实验室的分析表明，释放的能量约为3.15兆焦耳——比投入反应的能量多出约54%，是之前1.3兆焦耳记录的两倍多。
“聚变研究自50年代初就开始了，这是实验室中首次聚变产生的能量超过了消耗的能量，”坎贝尔说。
该实验安全地符合点火的条件，点火是聚变反应的基准衡量标准，重点关注投入靶丸的能量与释放的能量之比。然而，尽管聚变反应可能产生了超过3兆焦耳的能量——超过了传递到靶丸的能量——但NIF的192台激光器在这个过程中消耗了322兆焦耳的能量。
“这是一个重要的里程碑，但NIF不是聚变能源装置，”纽约州伊萨卡康奈尔大学的核工程师戴夫·哈默说。
赫尔曼也承认了这一点，他说，通往激光聚变能源的道路上还有许多步骤。“NIF的设计目的不是为了高效，”他说。“它的设计目的是成为我们能够建造的最大的激光器，为我们提供[核]武器储备研究计划所需的数据。”
为了实现点火，NIF的科学家在最新的激光射击之前进行了多次更改，部分原因是基于对去年进行的实验的分析和计算机建模。除了将激光功率提高了约8%之外，科学家们还制造了一个缺陷更少的新靶丸，并调整了激光能量传递到靶丸的方式，以产生更球形的内爆。赫尔曼说，科学家们知道他们正处于聚变点火的边缘，在这个状态下，“微小的变化可能会产生很大的影响。”
为什么这些结果意义重大？
在一个层面上，这关乎证明什么是可能的，在这方面，许多科学家都赞扬这一结果是聚变科学的里程碑。但这些结果对NIF具有特殊的意义：该设施旨在帮助核武器科学家研究热核爆炸内部发生的强烈高温和高压，而只有当该设施产生高产率的聚变反应时，才有可能实现这一目标。
物理学家斯蒂芬·博德纳说，这花了十多年的时间，“但他们值得赞扬，因为他们实现了目标”，他曾在美国海军研究实验室（位于华盛顿特区）领导激光聚变计划。博德纳说，现在最大的问题是能源部下一步将做什么：加倍投入NIF的武器研究，还是转向专门针对聚变能源研究的激光计划。
这对聚变能源意味着什么？
最新的结果已经重新燃起了人们对清洁聚变能源驱动的未来的热情，但专家警告说，前方还有很长的路要走。
NIF的科学家们欣然承认，该设施的设计并非以商业聚变能源为目的——许多研究人员怀疑，激光驱动聚变是否会成为最终产生聚变能源的方法。但坎贝尔认为，其最新的成功可能会增强人们对激光聚变发电前景的信心，并最终为专注于能源应用的新计划打开大门。“为了有信誉推销能源计划，这绝对是必要的，”他说。
劳伦斯·利弗莫尔实验室主任金·布迪尔将这一成就描述为概念验证。“我不想给你们一种感觉，好像我们要把NIF插入电网：这绝对不是它的工作方式，”她在华盛顿特区举行的新闻发布会上说。“但这是惯性约束聚变发电方案的基本组成部分。”
全球还有许多其他聚变实验正在尝试使用不同的方法来实现聚变能源应用。但工程挑战仍然存在，包括设计和建造能够提取聚变产生的热量并利用其产生大量能量的工厂，这些能量可以转化为可用的电力。
英国剑桥大学核能研究员托尼·鲁尔斯通在给科学媒体中心的一份声明中说：“尽管这是积极的消息，但这一结果距离实际发电所需的能量增益还很遥远。”
尽管如此，“NIF专注于聚变能源的实验绝对对商业聚变发电的道路有价值，”马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的等离子体物理学家安妮·怀特说。
聚变领域的下一个主要里程碑是什么？
为了证明NIF研究的聚变类型可以成为一种可行的能源生产方式，产率效率——释放的能量与用于产生激光脉冲的能量之比——需要提高至少两个数量级。
国际核聚变项目ITER的科学与运行主管蒂姆·卢斯说，研究人员还需要大幅提高激光器产生脉冲的速率，以及多快能够清理靶室，以便为下一次燃烧做好准备。ITER正在法国圣保罗-莱斯-迪朗斯建造中。
怀特说：“在重复性能下，充分的聚变能量产生事件将是一个重要的关注里程碑。”
耗资220亿美元的ITER项目——由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国合作——旨在实现自持聚变，这意味着聚变产生的能量会产生更多的聚变，这与NIF的“惯性约束聚变”方法不同。ITER将把氘和氚的等离子体约束在一个环形真空室（或托卡马克装置）中，并加热到原子核融合。卢斯解释说，当它在2035年开始这样做时，它的目标是达到“燃烧”阶段，“自加热功率是主要的加热来源”。这种自持聚变是产生比投入更多能量的关键。
这对其他聚变实验意味着什么？
NIF和ITER是世界各国政府正在追求的众多聚变技术概念中的两个。这些方法包括等离子体的磁约束（托卡马克装置和仿星器使用）和惯性约束（NIF使用），以及两者的混合方法等等。
怀特说，从聚变发电所需的技术在很大程度上独立于概念，最新的里程碑不一定会导致研究人员放弃或合并概念。
NIF面临的工程挑战与ITER和其他设施的不同。但这一象征性的成就可能会产生广泛的影响。“像这样的结果将提高人们对所有类型聚变进展的兴趣，因此它应该对整个聚变研究产生积极的影响，”卢斯说。
本文经授权转载，首次发表于 2022年12月13日。