研究前沿：Science评述-激光动力聚变，正接近“点火”

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‍编者按：近日，《科学》杂志记者 Daniel Clery在最新一期Science上发表评述，阐释了国家点火设施的最新聚变冲程，记录了能源产量的重大飞跃。

十多年前，世界上能量最高的激光，开始在微小氢同位素靶丸上释放能量，人们有理由相信，这将很快成为一条通往无限聚变能量的途径。直到现在，国家点火装置 (NIF) 取得了重大飞跃。

上周，激光发射已经成功地完成了胡椒粒大小的燃料舱的聚变爆炸，产生的能量是该设施所能达到的能量的八倍：1.35 兆焦耳 (MJ)，大约是一辆以 160千米每小时速度行驶的汽车，所产生的动能 。这个数字是触发激光脉冲能量的 70%，非常接近“点火”：产生过量能量的聚变冲程。“经过多年的 3% 点火，这非常令人兴奋，”运营 NIF 的劳伦斯利弗莫尔国家实验室核聚变项目负责人马克赫尔曼说。

NIF的最新报道“证明了少量的能量，内爆少量的质量，就可以得到聚变。罗切斯特大学激光能量学实验室 (LLE) 主任、物理学家迈克尔·坎贝尔 (Michael Campbell) 说。

而现在还为时过早，因为多年的缓慢进展，引发了人们对激光聚变是否具有实际未来的疑问。现在，根据 LLE 首席科学家 Riccardo Betti 的说法，研究人员需要问：“从 NIF 中可以获得的最大融合产量是多少？这才是真正的问题。”

聚变为恒星提供动力，迫使小原子核融合成更大的原子核，释放大量能量。由于加入原子核所需的热量和压力，在地球上极其难以实现，聚变继续吸引科学和商业兴趣，因为它承诺提供丰富的能量，对环境影响很小。

然而，在正在研究的许多方法中，没有一种方法产生的能量，超过最初引起反应所需的能量。称为托卡马克的大型圈形反应器，长期以来一直是实现净能量增益的领跑者，使用磁场将超热等离子体，保持足够长的时间以实现聚变。但法国耗资 250 亿美元的巨大 ITER 项目，预计在未来十年内不会实现，尽管私营核聚变公司承诺会取得更快的进展。

NIF 的方法被称为惯性约束聚变，使用安装在几个美国足球场大小的设施中的巨型激光器产生 192 束光束，这些光束以短暂而强大的脉冲聚焦在目标上——1.9 MJ，持续约 20 纳秒。目的是将尽可能多的能量，注入目标靶丸，这是一个装有氢同位素氘和氚的小球体，安装在铅笔橡皮擦大小的金圆柱体中。金蒸发，产生 X 射线脉冲，使靶丸内爆，将聚变燃料驱动成一个小球，热度和密度足以点燃聚变。理论上，如果这种微小的聚变爆炸，能够以每秒 10 次左右的速度被触发，那么发电厂，就可以从其产生的高速中子中获取能量来发电。

当 NIF 推出时，计算机模型预测很快就会成功，但早期的融合时，每次只产生约 1 千焦耳 (kJ)。为了更好地了解内爆物理，而进行长期努力，到去年为止，可以产生了 100 kJ。主要改进包括平滑燃料盖顶部表面上的微小凸起和凹坑，减小用于喷射燃料的靶丸中孔的尺寸，缩小金圆柱体中的孔，以减少能量逸出，以及延长激光脉冲，保持向内驱动燃料更长时间。NIF 的资助者国家核安全管理局，正在减少专门用于点火的射击次数，转而将其激光用于其他模拟核武器工作的实验。

今年早些时候，将这些改进以各种方式结合起来，NIF 团队生产了数个超过 100 kJ 的冲程，其中包括一个 170kJ。这一结果表明 NIF 最终创造了一种“燃烧等离子体”，其中聚变反应本身，为更多聚变提供热量，这是获得更高产率的关键的失控反应。然后，在 8 月 8 日，一次冲程产生了惊人1.35MJ。“这对每个人来说都是一个惊喜，”赫尔曼说。“这是一个全新的范式。”

Herrmann 说，究竟哪些改进产生了最大的影响，哪些组合，将导致未来的收益需要一段时间才能解开，因为在最新的研究中，有几项同时进行了调整。“这是一个非常非线性的过程。这就是为什么被称为点火：这是一种失控的东西，”他说。但是，“这给了我们更多的鼓励，让我们可以走得更远。

然而，赫尔曼的团队，距离聚变发电厂的思考，还有很长的路要走。“在实验室中，获得聚变真的很难，获得经济的聚变能力更难，”坎贝尔说。“所以，我们都必须要有耐心。” NIF 的主要任务仍然是“库存管理”，确保美国核武器安全可靠。聚变能是副业。但是，达到点火并能够研究和模拟该过程，也将“打开研究的新窗口”，赫尔曼说，因为不受控制的聚变，将为核武器提供动力。

伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任、等离子体物理学家史蒂文·罗斯说，NIF 的成功是“一项了不起的成就”。“这让我感到非常愉快。……感觉像是一个突破。”赫尔曼承认，上周同事发短信说他们从最新记录中，得到了“有趣”的结果后，他开始担心 NIF 的仪器可能有问题。当事实证明并非如此时，“我确实打开了一瓶香槟"。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6557/841

DOI: 10.1126/science.373.6557.841

本文译自“Science”。

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