实验室再现太阳能量！美国宣布首次实现核聚变点火，35亿美元投资曾打水漂

可控核聚变，终于首次实现了净能量增益。

在 12 月 13 日一场全球瞩目的发布会上，美国能源部（DOE）和能源部国家核安全管理局（NNSA）宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）实现了聚变点火，在公布的结果中，他们首次在可控核聚变实验中实现核聚变反应的净能量增益，即通过核聚变产生的能量比激发聚变所需能量更多，在实验室就能再现太阳的能量。

12 月 5 日，国家点火装置的一个团队进行了史上第一个受控聚变实验，达到了科学能量平衡的里程碑，这意味着从聚变中产生的能量多于用于驱动它的激光能量。

这项实验是通过用世界上最大的激光撞击一个微小的等离子体颗粒来实现的。实验装置由近 200 台激光器组成，有三个足球场那么大，用高能量轰击一个小点，以启动核聚变反应。

LLNL 的国家点火装置（NIF），其中 192 束激光束将超过 200 万焦耳的紫外线能量传送到一个微小的燃料颗粒，以产生聚变点火。

核聚变意味着两个或更多原子融合成一个更大的原子，这一过程会产生大量的热能。人类一直希望能够利用这种能量为全球电网提供清洁能源。过去几十年间，科学家们一直在尝试在可控环境中用氢原子聚变产生氦气和中子。

在聚变发生后，合成物的质量会比最初制造它们的部分更轻，丢失的质量会转化为巨大的能量。

E=MC²，这是太阳等恒星中一直发生的反应。

如果核聚变技术能够大规模应用，它将提供一种没有污染和温室气体的能源，也不会产生放射性废料。

「这是通往清洁能源可能性之路的绝佳方法，一个多世纪以来，我们对核聚变有了理论上的了解，但从了解到实践的过程可能是漫长而艰巨的。」白宫科学顾问 Arati Prabhakar 在能源部的新闻发布会上表示。

「这是科学界具有历史意义的一天，这要归功于 LLNL 和国家点火装置。在取得这一突破时，他们开启了 NNSA 库存管理计划（Stockpile Stewardship Program）的新篇章。」NNSA 局长 Jill Hruby 表示。

一直以来，在可控核聚变实验中，实验消耗的能量总是比核聚变反应产生的能量还要多。直到昨天情况发生了变化，国家点火装置中的 192 个巨型激光对一个橡皮擦大小的小圆筒进行轰击，圆筒内装有一个钻石包裹的冻结氢核。激光束从圆柱体的顶部和底部射入，使圆柱体汽化。这产生了向内的 X 射线冲击，压缩了氘和氚（较重的氢形式）燃料芯块。

在 LLNL 的国家点火装置中，装有用于实现点火的低温目标类型的空腔。

在持续不到万亿分之一秒的短暂瞬间，2.05 兆焦耳的能量（大致相当于一磅 TNT）轰击了氢气球（hydrogen pellet）。大量中子粒子（聚变的产物）流出，携带了大约 3 兆焦耳的能量，能量增益约为 1.5。

多年研究没有进展，如今终获突破

这一结果为聚变研究人员打了一针强心针，因为长期以来他们一直因承诺过高和交付不足而受到批评。

其实这项研究早在 1997 年就开始了，然而，到 2009 年开始运营时，在投资了 35 亿美元后，该设施几乎没有产生任何聚变。直到 2014 年，利弗莫尔的科学家们终于取得了一些成功，但国家点火装置产生的能量非常小——相当于 60 瓦灯泡在五分钟内消耗的能量。接下来几年的进展也微乎其微。

然而，去年 8 月，该设施产生了更大的能量爆发，产生的能量占到激光能量的 70%。利弗莫尔研究所武器物理与设计项目主管 Mark Herrmann 在接受采访时表示，研究人员随后进行了一系列实验，以更好地了解取得成功的原因。

研究者 9 月份进行了第一次 2.05 兆焦耳的激光发射，第一次尝试产生了 1.2 兆焦耳的聚变能。之后他们对这一结果进行分析，得出球形氢气颗粒没有被均匀挤压，部分氢气从侧面喷出，没有达到聚变温度。

科学家们在此基础上进行了一些更好的调整。

为进行聚变点火，国家点火装置的激光能量在空腔内转化为 X 射线，然后压缩燃料舱直至内爆，产生高温高压等离子体。

「我们的预计是达到两倍的比值，事实上它能达到的程度不止于此，」Herrmann 说道。

核聚变本质上是一种零排放能源，大规模应用可以显著减少燃煤和天然气发电厂的需求，降低碳排放。但要实现广泛、实用的核聚变还需要相当长的时间。在可控核聚变领域有一个著名的「50 年悖论」：距离实现可控核聚变永远只有 50 年，然而为了让核聚变「可控」，科学家们已经研究了 50 多年，我们眼前的预期仍然是 50 年……

「可能需要几十年，」LLNL 董事 Kimberly S. Budil 在周二的新闻发布会上说。「不是六十年，我认为也不是五十年，这是我们过去常说的。我认为它正在走向前台，可能通过共同努力和投资，对基础技术进行几十年的研究可以使我们能够建造一座发电厂。」

除了对于能源的需求，现在可控核聚变的实用化又有了新的一层意义。大量气候科学家和政策制定者表示，要实现将升温限制在 2 摄氏度以内的目标，或者更雄心勃勃的升温 1.5 摄氏度的目标，世界必须到 2050 年实现净零排放。

迄今为止的聚变努力主要使用被称为托卡马克的环形反应堆。在反应堆内，氢气被加热到足够高的温度，以至于电子从氢原子核中剥离出来形成等离子体——带正电的原子核和带负电的电子组成的云。磁场将等离子体困在甜甜圈形状内，原子核聚变在一起，以中子的形式释放能量向外飞。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置靶舱。

NIF 采用了不同的方法，但到目前为止，将激光聚变发电厂的想法变为现实的工作很少。「其中存在很大障碍，不仅在科学方面，而且在技术方面，」Budil 说道。

NIF 自带全球最强大的激光，但它是一种缓慢且低效的激光，依赖于几十年的老技术。该设备大约有一个体育场那么大，旨在进行基础科学实验，而不是作为发电的原型。

它每周启动约 10 次，而使用激光聚变方法的潜在商业核设施需要更快的激光器，能够以机关枪的速度射击，大约每秒 10 次。

NIF 消耗的能量也仍然比聚变反应产生的能量多得多。尽管与入射激光束中 2.05 兆焦耳的能量相比，最新的实验产生了净能量增益，但 NIF 需要从电网中提取 300 兆焦耳的能量才能产生短暂的激光脉冲。

其他类型的激光器效率更高，但专家表示，一个可行的激光聚变发电厂可能需要比在最新的聚变发射中观察到的 1.5 更高的能量增益。

「你需要增加到 30-100 才能达到发电厂的需求，」 Herrmann 表示。「这是我们在接下来的几年里要认真考虑的事情，这些实验表明，激光能量的微小差异也会产生很大的不同。」利弗莫尔将继续推动 NIF 聚变实验，以达到更高的聚变输出。

其他一些实验室的研究者也在研究 NIF 实验的变体。不同波长的其他类型的激光可能会更有效地加热氢气。一些人赞成激光聚变直接驱动的方法，即使用激光直接加热氢。这将使更多的能量进入氢气，但也可能产生阻碍聚变反应的不稳定性。

激光点火是核聚变的一条路径，虽然并不一定是最好的，但既然它已被证明可以实现，我们或许可以预见全球范围内相关研究投入的大量增加。

不论如何，利弗莫尔实验室取得的成果是可控核聚变研究的重要一步。罗切斯特大学激光能量学实验室的首席科学家 Riccardo Betti 表示：「这是一个里程碑，人类在实验室中首次点燃了核燃料。」

参考内容：

https://news.ycombinator.com/item?id=33971377

https://edition.cnn.com/us/live-news/nuclear-fusion-reaction-us-announcement-12-13-22/h_9d2eaed5a3c62ddf0eeed4ad4743943b

https://www.nytimes.com/2022/12/13/science/nuclear-fusion-energy-breakthrough.html

https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition