美國可控核聚變實驗，四次實現(xiàn)凈能量增益！

去年12月14日，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次實現(xiàn)可控核聚變點火成功，為全人類摘下清潔能源「圣杯」——

在向目標提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。

2023年7月30日，實驗室首次實現(xiàn)3.88兆焦耳的輸出能量，創(chuàng)下歷史最高。

10月30日，實驗室再刷記錄——輸入能量首次達到2.2兆焦。同時，3.4兆焦耳的輸出能量也位列第二。

面對一次又一次的成功「點火」，Nature也激動地發(fā)文表示——激光核聚變即將進入一個全新的時代。

可以想象，當可控核聚變最終實現(xiàn)時，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。

也就是說，到了那時，就不再有煤和石油燃燒產(chǎn)生的溫室氣體，不再有危險、長效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」。

這意味著進入電氣時代后，一直困擾著人類的能源緊缺問題將從此消失。人類甚至能在可控核聚變帶來的恒星級能源中，實現(xiàn)前所未有的科技突破。

四次成功點火，連續(xù)刷新記錄

不過，讓我們先回到現(xiàn)實。

讓激光器提供如此巨大能量的真正難點在于，如何保護NIF珍貴的光學元件不會受到碎片的損傷。

NIF是世界上唯一一個能在損傷閾值以上運行的激光系統(tǒng)，而這在一定程度上就得益于實驗室研發(fā)的光學回收循環(huán)系統(tǒng)。

強化光學元件

2023年6月，NIF完成了兩項關(guān)鍵的改進措施，這對實現(xiàn)2.2兆焦耳的輸入能量來說至關(guān)重要。

包括在NIF三分之二的光束線上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，以及在32條下半球光束線上安裝金屬屏蔽。

這些改進將由碎片引起的損傷率降低了10到100倍，具體取決于光束線。由于重力原因，較低光束線的光學元件接收到了來自靶室最多的碎片。

除此之外，其他的改進還包括，新的抗反射涂層、蒸汽六甲基二硅氨烷（HMDS）處理和光學回收循環(huán)容量的增加。以及新的「灰邊阻斷器」，用于解決一個科學家們尚未完全確定的問題。

不只是能量的增加

要維持NIF在科學領域取得的驚人突破，單靠增加能量是遠遠不夠的——

激光脈沖的持續(xù)時間僅為幾十億分之一秒，因此需要極高的精確度才能達到理想效果。

為了達到這個目標，團隊最近完成了高保真脈沖整形（HiFiPS）系統(tǒng)的部署工作。

作為一個歷時多年的項目，HiFiPS能夠更精確、更準確的脈沖整形，進而在內(nèi)爆中實現(xiàn)更好的功率平衡和對稱性控制。

此外，團隊還翻新了設施中的光纖，使其更能承受反復的中子暴露。這些光纖用于精確測量傳遞給目標的激光脈沖。

翻新后，信號強度直接提高了10到100倍，而研究人員也能夠繼續(xù)準確地「觀測」激光性能。

然而，從目前的技術(shù)水平到實現(xiàn)向電網(wǎng)提供聚變能源，仍然有很長的路要走。

盡管NIF擁有目前世界上最大的激光器，但該系統(tǒng)效率極低，在每次點火中，有超過99%的能量在到達目標前就已損失殆盡。

而開發(fā)更高效的激光系統(tǒng)，便是DOE新啟動的慣性聚變研究計劃的一個重要目標。

最近，該部門宣布將在四年內(nèi)投入4200萬美元，建立三個新的研究中心，來共同努力實現(xiàn)這一目標及其他科學進步。

其中，每個中心都將包括國家實驗室、大學研究人員和行業(yè)合作伙伴。

首席科學家，入選Nature十大科學人物

而整個核聚變計劃的核心人物之一，物理學家Annie Kritcher，也成功入選了Nature年度十大科學人物，

2022年，Annie Kritcher在國家點火裝置（NIF）上實現(xiàn)了一個幾十年來全世界實驗室都難以實現(xiàn)的目標——將原子壓縮到極致，使得它們的核發(fā)生融合，并產(chǎn)生出比反應本身消耗的還要多的能量。

但是，在達到這一實驗里程碑（即點火）之后，團隊面臨著重復這一成就的壓力。

高風險的研究很少能一帆風順：團隊在6月份進行了首次復現(xiàn)，但結(jié)果卻差強人意。

好在，第三次嘗試取得了成功。

7月30日，NIF的192束激光向懸浮在金圓筒中冷凍的氫同位素氘和氚小球發(fā)射了2.05兆焦耳的能量。

由此引發(fā)的內(nèi)爆使同位素在融合成氦的過程中釋放出能量，并產(chǎn)生了6倍于太陽核心的溫度。

最終，這些創(chuàng)造出了破紀錄的3.88兆焦耳聚變能。

放眼世界，在NIF取得這一成就之前，還沒有哪個實驗室可以實現(xiàn)輸出能量大于消耗能量的聚變反應。

隨后，Kritcher和她的團隊又在10月份成功地進行了兩次點火，從而讓總點火次數(shù)達到了四次。

2004年，Kritcher在利弗莫爾進行暑期實習時，就開始研究聚變能源。很快她就將目光投向了NIF——世界上為數(shù)不多可以研究聚變反應的地方。

2012年，Kritcher正式加入NIF。

從那時起，她就帶領團隊分析實驗數(shù)據(jù)，并使用計算機模型設計實驗——通過調(diào)整目標的大小和配置以及各種激光束的能量和時間等參數(shù)，實現(xiàn)并提高核聚變產(chǎn)量。一旦她的團隊完成設計，實驗團隊就會接手發(fā)射激光并收集數(shù)據(jù)。

過程中，Kritcher表現(xiàn)出了非常卓越的能力，而這也讓她在2016年成為了NIF的首席設計師之一。

在接下來的幾年里，Kritcher和她的團隊一直在對NIF的主要實驗項目進行數(shù)字運算和設計調(diào)整。在對目標進行各種改動的同時，團隊還利用各種改進措施提高了激光的總體能量。結(jié)果就是，核聚變的實現(xiàn)，越來越頻繁了。

隨著「點火」的成功，Kritcher又開始了一系列新的實驗——通過向更厚的靶囊提供更多的激光能量來再次提高產(chǎn)量。

而這也代表著，NIF向?qū)崿F(xiàn)數(shù)十兆焦耳甚至更高產(chǎn)能的目標，又邁進了一步。

可控核聚變，清潔能源的「圣杯」

簡單地說，「核聚變」就是兩個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核，并釋放出巨大能量的過程。

兩個氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質(zhì)量比原來的氫原子略小。根據(jù)愛因斯坦標志性的E=mc2質(zhì)能方程，這個質(zhì)量差會轉(zhuǎn)化為能量爆發(fā)出來。

在太陽的核心，每秒都在發(fā)生6.2億噸氫的核聚變。產(chǎn)生的能量，是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚變的一大難題之一，就是如何讓核聚變反應釋放的能量大于輸入的能量，并且讓過程可持續(xù)。

NIF點火原理

20世紀60年代，LLNL的一組先鋒科學家就作出假設：激光可以用來在實驗室環(huán)境中誘導核聚變。

隨后，在物理學家John Nuckolls的領導下，這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。

為了實現(xiàn)這一概念，LLNL建立了一系列越來越強大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。

實驗中，激光器模仿了太陽中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

激光在進入環(huán)空器后，會擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽中心還熱，并將其壓縮到地球大氣壓的1000億倍以上。

高能激光會使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。

在內(nèi)爆時，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈式反應——也就是「點火」，隨之便會放出大量能量。

工程奇跡

而讓以上這些能夠成為現(xiàn)實的國家點火裝置（NIF），在工程和技術(shù)方面也是一個了不起的成就。

材料科學家和激光物理學家與工程師合作設計了一個包含7,500個大型光學元件、26,000個小型光學元件和66,000多個控制點的設施。

這些光學元件和其他組件包含在大約6200個被稱為「產(chǎn)線可換單元」（LRUs）的復雜模塊化裝置中。在必要時可以快速更換，以確保設施的連續(xù)運行。

NIF激光脈沖從主振蕩器室的初始脈沖形成到到達目標，全程一公里，耗時4.5微秒。到達目標室中心的時間相差30皮秒，精度為50微米。

要達到這樣的指向穩(wěn)定性和目標的絕對精確度，在工程設計上是一個極大的挑戰(zhàn)，需要光學支持系統(tǒng)具有堅如磐石的穩(wěn)定性、部件的精確定位和對準以及嚴格精確的計算機計時系統(tǒng)。

為了應對這些挑戰(zhàn)，所有支撐NIF反射鏡和透鏡的結(jié)構(gòu)在設計時都考慮到了極高的穩(wěn)定性。

工程團隊針對包括水泵、電機和變壓器在內(nèi)的所有振動源，細致地計算了可能會對激光組件（通常是激光反射鏡）產(chǎn)生的影響。

通過細致的建模，振動（>1Hz）和漂移（<1Hz）的設計都得到了滿足。測試結(jié)果表明，原型光束線的性能可以達到或優(yōu)于50微米的要求。

此外，為確保光束線組件不影響激光凈空，團隊還采用了精密測量技術(shù)，從而建立嚴格的測量網(wǎng)絡，并控制好所有光束線組件的物理位置。所有光束外殼、支持系統(tǒng)和靶室的位置都精確到四分之一毫米。

這些信息隨后被提供給設計團隊，他們設計的結(jié)構(gòu)既要有足夠的剛度，又要有足夠的阻尼，使結(jié)構(gòu)對地面振動和建筑設備預期振動的響應符合整體穩(wěn)定性要求。

確保所有192束激光在規(guī)定的30皮秒內(nèi)到達，是通過使用GPS系統(tǒng)不斷更新內(nèi)部時鐘的精確定時系統(tǒng)實現(xiàn)的。集成的軟件和硬件不斷監(jiān)測和更新定時，以保持精確度。

每個機械接口的設計公差優(yōu)于300飛秒（萬億分之三秒），因此可以隨時更換LRU，以保持定時精度。此外，嚴格控制的程序可保持每個LRU的系統(tǒng)定時。

雖然，我們現(xiàn)在還不能借助這個裝置，將核聚變要真正應用于發(fā)電。

但是在60年的尺度上，人類已經(jīng)取得了重大的突破。

對于未來，我們或許也可以抱有更多的想象力。