上个月，美国国家点火装置 (NIF) 自去年 12 月以来首次全功率发射激光，当时它实现了其数十年的“点火”目标，即在核反应中产生的能量超过了消耗的能量。最新的运行结果与此相去甚远：NIF 的输出仅为去年年底的 4%。但科学家们并没有期望它能达到那个水平。
在 NIF 成功的基础上，他们现在正在发挥该计划的实验能力，试图更好地了解核聚变设施的能力。在这里，《自然》杂志着眼于 NIF 的未来，以及它是否将推动全球努力，为地球创造巨大的清洁能源供应。
最新实验的目标是什么？
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NIF 位于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)，是一个体育场大小的设施，它向一个微小的金筒发射 192 束激光，金筒内装有一个金刚石 капсула。 капсула 内装有冷冻的氢同位素氘和氚颗粒。激光触发内爆，产生极高的热量和压力，从而驱动氢同位素聚变成氦，释放出额外的能量。
使该方案奏效的主要挑战之一是制造金刚石 капсула。即使是最小的缺陷（细菌大小的麻点、金属污染或形状和厚度的变化）也会影响内爆，从而影响驱动聚变反应的压力和热量。
2021 年和2022 年破纪录的实验使用了最好的 капсула，但在 3 月份，在等待新批次时，NIF 科学家使用了一个一侧比另一侧厚的 капсула 进行了实验。模型表明，他们可以通过调整来自激光的光束来抵消这种缺陷，从而产生更均匀的内爆。劳伦斯利弗莫尔国家实验室惯性约束聚变科学项目负责人、物理学家理查德·汤恩说，这是对他们的理论预测的测试。
结果没有达到他们的预测，研究人员现在正在努力了解原因。但汤恩说，如果这条调查路线取得成功，“它将为我们打开更多 капсула 的使用，并将提高我们对内爆的理解”。
NIF 的下一步是什么？
科学家们在 12 月通过提高激光能量和增加 капсула 厚度取得了成功，这有助于延长聚变反应的时间。负责该活动设计的物理学家安妮·克里彻说，今年晚些时候的实验将遵循类似的策略。
从长远来看，目标是将聚变反应产生的能量从去年的 3.15 兆焦耳增加到数百兆焦耳。汤恩认为，通过进一步提高进入目标的激光能量等方式，可以将 NIF 的能量输出提高到数千万兆焦耳。但他警告说，NIF 可能很快需要进行重大的安全升级：该设施的额定聚变输出功率仅为 45 兆焦耳。在进行任何可能接近该极限的实验之前，实验室需要在战略位置加固容纳反应的近 2 米厚的混凝土墙。
这如何帮助推动为地球创造聚变能源？
NIF 从未被设计成发电厂。它的主要目标是帮助科学家验证美国核武库中的武器是否可靠和安全，方法是重现和研究其核心的反应。但马里兰州盖瑟斯堡倡导组织 Fusion Power Associates 的总裁斯蒂芬·迪恩说，12 月实现点火“是一个门户事件，为能源计划打开了大门”。
破纪录的实验产生的能量比输送到金筒的能量多出约 50%——重要的是，几乎是集中在内部燃料颗粒上的能量的 13 倍。对于华盛顿特区海军研究实验室的物理学家马克斯·卡拉西克来说，这突出了他和其他人正在追求的潜在前进道路：放弃金筒，将激光直接聚焦在燃料颗粒上，这是一种称为直接驱动的实验设计。
卡拉西克说，在这种配置中，“有更多的能量可用于压缩燃料颗粒”。
但聚变能源未来的挑战是艰巨的。在 12 月的里程碑式实验中，NIF 的激光消耗了 322 兆焦耳的能量。迪恩说，为了向公众输送电力，激光聚变电厂需要产生比输入能量多 100 倍的能量，并且其激光需要每秒发射约 10 次。这意味着需要设计一个系统，该系统每天可以准确地聚焦和发射数十万个目标的激光。
实验室官员表示，凭借目前的设计，NIF 仍将是科学家可以从高产激光聚变实验中学习的地方。但与此同时，私营公司正越来越多地提出替代解决方案。
去年，美国总统乔·拜登的政府概述了其愿景，即在白宫峰会上建立公私合作的聚变能源伙伴关系。私营部门将在开创新的聚变技术方面发挥主导作用，而美国能源部 (DOE)（NIF 是其一部分）将推进材料科学、先进制造和建模等更广泛领域的知识，这些知识对于商业化至关重要。
在未来 18 个月内，能源部希望向私营聚变公司发放 5000 万美元的赠款，这是一个以里程碑为基础的项目，其模式类似于 NASA 与 SpaceX 等太空运输公司的合作。然而，激光聚变公司将与追求其他聚变设计的公司竞争。最受欢迎的设计之一是托卡马克，这是一种利用磁场来约束甜甜圈形“环面”中聚变反应产生的燃烧等离子体的装置。这是世界上最大的聚变实验 ITER 在法国圣保罗莱迪朗斯使用的方法。
成功的几率有多大？
关于聚变能源的老笑话是，它将在 50 年后实现，而且永远都是如此。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的前科学家、目前在德克萨斯州奥斯汀市的私营激光聚变公司 Focused Energy 担任科学主任的普拉韦什·帕特尔说，现在许多科学家表示，该等式的前端更接近 20-30 年，但这实际上只是一个资金问题。
“作为一名科学家，我认为聚变能源是不可避免的，”他说。“问题只是我们希望它多快起作用，这取决于资源。”
本文经许可转载，首次发表于2023 年 4 月 26 日。