国家点火装置的激光聚变里程碑引发争论

去年8月192日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家们用世界上最大的激光器进行了一项破纪录的实验。 使用 3.5 亿美元中的 XNUMX 条光束 国家点火设施 (NIF) 内爆了一个胡椒粒大小的含有氘和氚的胶囊，他们使两种氢同位素融合，在几分之一秒内产生了自我维持的聚变反应。 由于该过程释放出超过 70% 的能量用于为激光器提供动力，这一发现表明巨型激光器可能会成为一种新的安全、清洁和基本上无限的能源来源。

这一结果让利弗莫尔实验室的研究人员欣喜若狂，十多年来一直在努力取得重大进展。 但是，当随后几次重现这一成就的尝试都失败时，最初的兴奋很快就消退了——最多只能召集破纪录产量的一半。 由于利弗莫尔管理层决定只尝试少数重复实验，因此实验室搁置了对收支平衡的追求，转而试图找出导致产出变化的原因。

对于 NIF 的批评者来说，最新的路线修正并不令人意外，显然再次说明该设施不适合作为强大的聚变能生产的试验台。 但许多科学家仍然保持乐观，NIF 研究人员自己也挺身而出，最近公布了他们破纪录射击的结果 “物理评论快报” (129 075001）. 他们坚持认为，毕竟他们已经实现了“点火”，达到了聚变反应加热超过冷却的程度，形成了一个迅速提高等离子体温度的正反馈回路。

利弗莫尔聚变计划的首席科学家 Omar Hurricane 坚持认为，这种基于物理学的点火定义——而不是简单的“能量盈亏平衡”描述——才是真正重要的。 他将最终实现盈亏平衡描述为“下一个公共关系事件”，但他表示，这仍然是他和他的同事们想要达到的一个重要里程碑。 事实上，来自利弗莫尔实验室以外的物理学家相信，这个备受讨论的目标将会被击中。 史蒂文·罗斯 英国帝国理工学院相信，“一切都有可能”实现收支平衡。

记录增益

试图利用聚变涉及将轻核等离子体加热到这些原子核克服相互排斥并结合形成较重元素的程度。 这个过程会产生新的粒子——就氘和氚而言，还有氦核（α粒子）和中子——以及大量的能量。 如果等离子体可以在适当的巨大温度和压力下保持足够长的时间，α 粒子应该提供足够的热量来维持自身的反应，而中子可能会被拦截以为蒸汽轮机提供动力。

聚变托卡马克装置使用磁场在相当长的时间内限制等离子体。 NIF 作为一种“惯性约束”装置，而是利用少量高度压缩的聚变燃料在重新膨胀之前为转瞬即逝的瞬间创造的极端条件。 燃料被放置在一个直径 2 毫米的球形胶囊内，该胶囊位于大约 1 厘米长的圆柱形金属“空腔”的中心，当 NIF 精确定向的激光束撞击空腔内部并产生大量X 光片。

与托卡马克装置相比，NIF 的主要设计目的不是为了展示能量，而是作为对用于模拟核武器爆炸的计算机程序的检查——鉴于美国于 1992 年停止了现场测试。然而，在 2009 年开启后，它很快很明显，用于指导其自身操作的程序低估了所涉及的困难，特别是在处理等离子体不稳定性和产生适当对称的内爆时。 由于 NIF 未能实现到 2012 年实现点火的最初目标，负责监督该实验室的美国国家核安全管理局将这一目标搁置一旁，转而专注于更好地了解内爆动力学的耗时任务。

2021 年初，经过一系列实验修改，Hurricane 及其同事终于展示了他们可以使用激光来制造所谓的燃烧等离子体——其中来自 α 粒子的热量超过了外部能量供应。 然后他们进行了一系列进一步的调整，包括缩小空腔的激光入口孔和降低激光的峰值功率。 其效果是将一些 X 射线能量转移到发射的后期，从而提高了传递给核燃料的能量——将其推高到足以超过辐射和传导损失。

2021 年 210808 月，NIF 研究人员记录了他们具有里程碑意义的“NXNUMX”镜头。 在这种情况下，燃料中心的热点温度约为 125 亿开尔文，能量产量为 1.37 兆焦耳——大约是今年早些时候获得的最佳结果的八倍。 这一新产量意味着 0.72 的“目标增益”——与激光器的 1.97 MJ 输出相比——和 5.8 的“胶囊增益”，而不是考虑胶囊吸收的能量。 

更重要的是，就飓风而言，该实验还满足了所谓的劳森点火标准。 工程师兼物理学家约翰·劳森 (John Lawson) 于 1955 年首次提出，它规定了聚变自加热超过通过传导和辐射损失的能量的条件。 飓风表示，NIF 结果满足惯性约束聚变标准的九种不同表述，从而“毫不含糊”地证明了点火。

三枪，你就出局了

在破纪录的拍摄之后，Hurricane 和他在 NIF 的一些科学家同事热衷于复制他们的成功。 但实验室的管理层并没有那么热情。 根据 马克赫尔曼, 当时利弗莫尔负责​​基础武器物理学的副主任，在 N210808 之后成立了几个工作组来评估下一步。 他说，一个由大约 10 名惯性约束专家组成的管理团队将这些发现汇总在一起，并制定了一项计划，该计划于 XNUMX 月提交。

Herrmann 说该计划包含三个部分——试图复制 N210808； 分析使破纪录的镜头成为可能的实验条件； 并试图获得“强劲的兆焦耳产量”。 对第一点的讨论涉及大约 100 名从事核聚变计划的科学家中的 Herrmann 所说的“各种各样的意见”。 最后，考虑到“资源有限”，以及包含 N210808 的批次中目标数量有限，他说管理团队只决定再注射三针。

飓风的回忆略有不同，说有四次重复。 他说，这些实验进行了大约三个月的时间，取得的收益从不到 XNUMX 月份的五分之一到大约一半不等。 但他坚持认为这些镜头仍然是“非常好的实验”，并补充说它们也满足劳森标准的某些表述。 他说，性能上的差异“并不像人们描绘的那样二元”。

等离子涂层工艺是一个食谱，所以就像烤面包一样，每次都不会完全一样

奥马尔飓风

至于是什么导致了这种巨大的输出差异，Herrmann 说主要的假设是燃料舱中的空隙和凹痕，它们是由工业金刚石制成的。 他解释说，这些缺陷会在内爆过程中被放大，导致钻石进入热点。 鉴于碳的原子序数高于氘或氚，它可以更有效地辐射，从而冷却热点并降低性能。 

飓风同意钻石可能在改变镜头性能方面发挥重要作用。 他指出，考虑到 NIF 内爆的非线性，预计输出会有很大变化，他说，相关科学家并不完全了解胶囊制造过程中使用的等离子涂层工艺。 “这是一个食谱，”他说，“所以就像烤面包一样，每次都不会完全一样。”

聚变能源之路

Hurricane 表示，除了提高胶囊质量外，该团队目前正在研究几种提高 NIF 产量的方法。 这些包括改变胶囊厚度、改变空腔的大小或几何形状，或者可能将激光脉冲能量增加到 2.1 MJ 左右以降低目标所需的精度。 他说，当谈到目标收益时，“没有神奇的数字”，但补充说，收益越高，在进行库存管理时可以探索的参数空间就越大。 他还指出，增益为 1 并不意味着该设施正在产生净能量，因为激光在目标上将很少的输入电能转化为光——在 NIF 的情况下，不到 1%。

漫长的点火之路

罗彻斯特大学的 Michael Campbell 在美国，NIF 可以在“未来 1-2 年内”实现至少 5 的增益，只要对空腔和目标进行足够的改进。 但他认为，要达到 50-100 的商业相关增益，可能需要从 NIF 的“间接驱动”（产生 X 射线来压缩目标）切换到可能更高效但更棘手的“直接驱动”，它依赖于激光辐射本身。

尽管可能需要数十亿美元，但 Campbell 乐观地认为，合适的直驱设施可以在 2030 年代末展示出这样的收益——他说，尤其是在私营部门参与的情况下。 但他警告说，商业发电厂可能至少要到本世纪中叶才能开始运营。 “聚变能源是长期的，”他说，“我认为人们必须对挑战持现实态度。”