核聚变有可能提供丰富、安全的能源，而不会大量产生温室气体排放或核废料。但几十年来，作为一项实用技术，它仍然令人沮丧地难以实现。现在已经跨越了朝着这个目标迈进的重要里程碑：一种聚变反应，其大部分热量来自其自身的核反应，而不是从外部泵入燃料的能量。
加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 国家点火装置 (NIF) 的一个团队报告了这种所谓的燃烧等离子体状态，他们使用了一种称为惯性约束聚变的方法，即通过强烈的激光脉冲在氢同位素燃料中产生引发聚变所需的极高温度和压力。研究人员的发现发表在《自然》杂志上，相关的论文发表在《自然·物理》和预印本存储库 arXiv.org 上。“数据清楚地表明他们已经达到了该状态，”加州大学圣地亚哥分校的聚变物理学家乔治·泰南说，他没有参与这项工作。
牛津大学的聚变物理学家彼得·诺里斯说：“NIF 的结果确实意义重大”，他没有参与这项研究。“它们表明，追求惯性聚变反应堆在未来是现实的可能性，而不是建立在困难和不可逾越的物理学基础上。” 英格兰约克大学的等离子体物理学家凯特·兰卡斯特也同意，她也没有参与这项研究。“这是一项了不起的成就，是十年谨慎、渐进式研究的结晶，”她说。
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核聚变是为恒星提供能量的过程，也是氢弹爆炸性触发的过程，它需要极高的热量和压力，使原子获得足够的能量来克服带正电荷的原子核之间的静电斥力，从而使它们能够融合并释放能量。用于在反应堆中产生受控聚变的常用燃料由重氢同位素氘和氚的混合物组成，它们可以结合形成氦。这种释放的能量可以被用于发电——例如，通过使用热量驱动传统的动力涡轮机。与核裂变（当今所有核电站中使用的过程）不同，聚变不使用或产生大量长寿命放射性材料。与裂变相反，聚变不涉及链式反应，这使其本质上更安全：聚变反应堆工作条件的任何变化都会导致其立即自动关闭。
裂变的优势在于它通常发生在温度略高于 1,000 开尔文的反应堆中，而氘-氚 (D-T) 聚变开始于约 1 亿开尔文的温度——比太阳核心还热。温和地说，处理如此沸腾的等离子体极具挑战性。一种方法是用磁场将其约束在称为托卡马克装置的腔室内的甜甜圈形状中。这是许多聚变项目的首选方法，包括国际热核实验反应堆 (ITER)。一个全球合作项目正在法国建造一个大型实验反应堆，计划最早在 2035 年实现持续聚变。
惯性聚变不试图捕获等离子体，而是依靠惯性本身在燃料的超快压缩触发聚变后将其保持在一起一瞬间。这会在燃烧的燃料膨胀并消散其热量之前，产生非常短暂的能量爆发——微小的热核爆炸。“基于惯性约束的聚变能源方案涉及一遍又一遍地重复脉冲过程，就像内燃机中的活塞一样，每秒钟点火几次以提供几乎连续的动力，”LLNL 惯性约束聚变计划的首席科学家奥马尔·飓风说，他是最新实验的团队负责人。
虽然惯性约束聚变不必解决在托卡马克装置内维持高温、不稳定的等离子体的问题，但它确实需要大量的能量输入来触发聚变过程。NIF 团队使用了 192 个高功率激光器，全部聚焦到一个称为黑腔的腔室中，该腔室的大小和形状与铅笔的橡皮擦差不多，并且包含氘和氚的燃料舱。激光能量加热并汽化燃料舱的外层，将其吹走并产生反冲，从而压缩和加热中心的燃料。在 NIF 方法中，激光束不会直接引发爆炸，而是撞击黑腔的内表面，在微小的腔室内释放出强烈的压缩燃料舱的 X 射线浴。
研究人员在 1970 年代就证明了以这种方式启动聚变的可行性。但是，达到燃烧等离子体点一直是一个缓慢的过程，充满了技术障碍和挫折。“几十年来，研究人员已经能够通过使用大量外部加热使等离子体变热来使反应发生，”NIF 团队成员 LLNL 的亚历克斯·齐尔斯特拉说。“在燃烧等离子体中，我们现在首次创造了这种等离子体，聚变反应本身提供了大部分加热。” 这些条件仅持续约 100 万亿分之一秒，之后等离子体的能量就会消散。
“没有什么秘诀让他们取得这一突破，而是一系列较小的进步，”泰南说。为了让聚变过程有希望自我维持，它产生的能量应该主要沉积在相邻的燃料层中，而不是从燃料舱泄漏出去加热周围环境。这意味着燃料舱必须足够大且足够密集，以将能量保持在内部，同时仍然对称地坍缩——这是 NIF 团队已经解决的问题之一。研究人员还调整了黑腔的设计，以确保其内部均匀地充满 X 射线，最终创造出更平滑、更强劲、更高效的燃料舱内爆。“我们必须学习如何在扩大内爆规模的同时更好地控制对称性，”飓风说。这些改进需要数十年的努力。“这是一个非常漫长的反复试验过程，以计算为指导，”泰南说。
在 NIF 研究人员报告的实验运行中，2020 年和 2021 年初进行的四次运行超过了燃烧等离子体的阈值聚变输出。最近的一次是在 2021 年 2 月，因此“他们显然花了一些时间来说服同事相信他们结果的有效性，”法国波尔多大学的等离子体物理学家弗拉基米尔·蒂洪丘克说，他没有参与这项工作。但他们显然已经做到了。“我真的相信这些论文的发表是一项重要的科学事件，”蒂洪丘克补充道。
然而，要使聚变可行，需要的不仅仅是燃烧等离子体。一方面，尽管等离子体是自加热的，但它仍然可能辐射出比它产生的热量更多的热量，包括内爆在达到峰值压缩后自行爆炸时损失的能量。“即使你正在燃烧，如果辐射损失过高，反应也会逐渐消失，”泰南说。但 NIF 团队指出，在其一次运行中，加热超过了这些损失。
这使科学家们更接近下一个重大目标：点火，即聚变反应产生的净能量超过注入以产生它的能量。平均而言，他们可以使用 1.9 兆焦耳的输入激光能量产生约 0.17 兆焦耳的聚变能。换句话说，这些 NIF 射击将相当于半公斤 TNT 炸药的能量注入微小的黑腔，但只能获得约 1/10 的能量输出。但这仍然足够接近盈亏平衡点，足以让聚变研究人员感到兴奋。“他们正处于实现传播点火燃烧的门槛上，”泰南说。
兰卡斯特对此持乐观态度。“我们现在正处于一个适度改进可以大幅提高能量输出的阶段，”她说。“对于点火，我们绝对已经从‘是否’转向了‘何时’。”
即使实现点火，对于聚变而言也仅仅是开始的结束。首先，不仅要证明净能量增益，而且要加以改进，以弥补将热能转化为电能的效率低下。还必须开发更好的氚的现场生产和处理方法，以用作燃料。在惯性约束聚变的具体案例中，设计精巧的燃料舱必须以某种方式大量生产——而且价格低廉。“现在它们每个花费 100 万美元，并且是在实验室定制的套件，”泰南说。但是，对于任何惯性聚变发电厂要盈利，“你必须能够每天生产数十万个，每个 10 美分。” 飓风警告说，惯性约束中燃烧等离子体的这些惊人结果“根本无法转化为托卡马克装置”。
“在这个领域工作的人们非常清楚，在（最终）点火演示和商业聚变反应堆之间存在很大的差距，”蒂洪丘克说。这个差距肯定不会在 NIF 弥合，NIF 的目标是探索聚变的基本物理学，尤其是在核武器储备管理和国家安全的背景下。“我们还没有能量和功率达到所需水平且重复频率为每秒几次的激光器，”蒂洪丘克补充道——尽管兰卡斯特表示，这些激光器“正在顺利发展中，例如在英国、美国、法国和德国都有大型项目。”
诺里斯说，“既然 NIF 已经证明[燃烧等离子体条件]可以在受控的实验室环境中完成，那么剩余挑战的解决方案”“需要在未来几年内以新的活力进行研究。”
“挑战在于[从‘物理学是否可能？’转向‘我们能否设计出一个寿命足够长、足够安全且以可承受的价格完成所有这些事情的可行系统？’”泰南说。“这仍然是摆在研究界面前的一个重大开放性问题。”