历史上的大新闻：寻求已久的聚变突破研究成功
核聚变突破
【美国《华人》传媒编辑 唐钊, 十二月十五日, 二零二二年】美国能源部 (DOE) 官员今天宣布的结果为聚变研究人员打了一针强心剂，他们长期以来一直因承诺过高和交付不足而受到批评。7 年来，聚变科学家一直在追求这个难以实现的目标，即能量增益。 12 月 5 日凌晨 1 点，加利福尼亚州国家实验室 (NIF) 的研究人员终于做到了，将 2.05 兆焦耳的激光聚焦到一个微型聚变燃料舱上，引发爆炸，产生 3.15 兆焦耳的能量 -相当于大约 三根炸药。（图片来自纽约时报)
现在 NIF 已经破解了难题，研究人员希望激光聚变能够获得可信度，并可能获得更多资金。 经过漫长的跋涉来到这里后，贝蒂开玩笑说要传递接力棒。 “这是非常重要的第一步，”他说。 “我们现在已经做到了，所以我可以退休了。”
“这非常令人兴奋，这是一个重大突破，”麻省理工学院的等离子体物理学家安妮怀特说，虽然她没有参与这项工作。作为劳伦斯利弗莫尔国家实验室武器物理和设计项目主任领导 NIF 的马克赫尔曼说，感觉“很棒”，并补充说：“我为这个团队感到骄傲。”
核聚变拥有丰富的无碳能源的诱人前景，而且没有裂变驱动核能的许多放射性问题。 但是要让氢离子聚变成氦并释放能量需要数百万摄氏度的温度——这种条件很难达到和维持。 NIF 结果表明这是可能的，至少在几分之一秒内是可能的。 “3 MJ 是巨大的能量。 它表明某些东西正在发挥作用，”伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家 Steven Rose 说。
尽管大张旗鼓，聚变电站仍然是一个遥远的梦想。 NIF 从未设计用于商业发电。 它的主要功能是制造微型热核爆炸并提供数据以确保美国核武器库安全可靠。 许多研究人员认为，类似熔炉的托卡马克是一种更好的商用电源设计，因为它们可以维持更长时间的聚变“燃烧”。 在托卡马克装置中，微波和粒子束加热燃料，磁场将其捕获。 “挑战在于让它既坚固又简单，”怀特说。
然而，领先的托卡马克装置，即法国正在建设的 ITER 反应堆，一点也不简单。 它大大超出预算，早该实现，而且最早要到 2030 年代后期才能达到盈亏平衡。 随着 NIF 的新成功，这种基于激光的“惯性聚变能”的支持者将争取资金，看看它们是否能与托卡马克装置竞争。
耗资 35 亿美元的 NIF 于 2010 年开始了它的“点火”活动。它的激光器安装在一个相当于三个美国足球场那么大的建筑物中，它提供一个强大的、纳秒长的红外脉冲，该脉冲分为 192 束，然后转换为紫外光。 光束聚焦在目标上——一个铅笔橡皮大小的金罐，里面装有胡椒粒大小的燃料舱。 金被加热到数百万度，会发出 X 射线，使胶囊的钻石壳蒸发。 爆破的钻石使燃料内爆，压缩并加热它。
如果燃料的压缩足够对称，聚变反应会在中心热点开始并平稳地向外传播，聚变产生的热量会引发更多燃烧。 这种自我维持的燃烧是点火的定义，经过十多年的努力，NIF 科学家宣布，他们在 2021 年 8 月的一次发射产生了 70% 的输入激光能量后，已经实现了这一里程碑。 但 NIF 的资助者，美国能源部的国家核安全管理局，将 NIF 的目标设定为能量增益大于一个——它上周通过的门槛。
加倍努力并不容易。 在 2021 年 8 月拍摄后，NIF 团队发现无法重现。 使用光滑的钻石胶囊被证明是关键：2021 年 8 月的那个是他们制作的最光滑和球形的。 “我们必须学习如何让胶囊变得更好，”Herrmann 说。 他们还使胶囊稍厚一些，这为内爆提供了更大的动量，但需要更长、更强大的激光脉冲。 因此，他们调整了激光以挤出更多汁液，将能量从 1.9 MJ 提高到 2.05 MJ。
9 月的一次发射产生了 1.2 MJ，向 NIF 研究人员表明他们走在了正确的轨道上，但对称性很差：燃料被压扁成薄饼而不是紧密的球。 通过调整激光的 192 束光束之间的能量，他们能够获得更球形的内爆，上周他们终于中奖了。 “物理现象已经得到证实，”罗彻斯特大学激光能量学实验室的 Riccardo Betti 说。
然而，如果增益意味着产生比输入电能更多的输出能量，那么 NIF 就差得远了。 它的激光器效率低下，需要数百兆焦耳的电力才能产生 2 MJ 的激光和 3 MJ 的聚变能。 此外，基于 NIF 的发电厂需要将重复率从每天一次提高到每秒约 10 次。 每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百万个胶囊——这是一项巨大的工程挑战。
Betti 说，NIF 方案还有另一个低效率问题。 它依赖于“间接驱动”，其中激光冲击金罐以产生实际上引发聚变的 X 射线。 他说，只有大约 1% 的激光能量进入燃料。 他赞成“直接驱动”，这是他的实验室采用的一种方法，激光束直接发射到燃料舱上，并储存 5% 的能量。 但美国能源部从未资助过开发用于发电的惯性聚变的计划。 2020 年，该机构的聚变能源科学咨询委员会在贝蒂和怀特共同撰写的一份报告中建议这样做。 “我们需要一种新的范式，”Betti 说，但“没有明确的方法可以做到这一点。”
（消息来源： 科学杂志网站）
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