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Nature封面：可控核聚变里程碑式新进展，燃烧等离子体实现

2022-01-28 14:08

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

机器之心报道

编辑：杜伟、泽南

通过世界最大的激光，研究人员首次诱导聚变燃料自行输出能量超过了输入热量，实现了一种称为燃烧等离子体的现象。

凭借 192 束激光以及比太阳中心高三倍以上的温度，科学家们在通往几乎无污染聚变能源的漫长道路上（至少在几分之一秒内）达到了一个关键的里程碑。

今日，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置（National Ignition Facility）研究者的一项研究登上了最新一期的《自然》杂志的封面。研究者成功地激发了一种持续很短时间的聚变反应，这是一项重大的壮举，因为聚变需要非常高的温度和压力，很容易熄灭。

这项研究的最终目标是像太阳产生热量一样实现发电，通过压碎氢原子并使它们彼此靠近，然后生成氦以释放大量的能量。但是，自理论提出以来，人们和这个目标的距离一直是「需要数年时间」。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-w

一支有 100 多人参与的团队在论文《Burning plasma achieved in inertial fusion》中发表了四项实验的结果，并展示了他们取得的成就——燃烧等离子体（ burning plasma）。有了这些结果以及 2021 年 8 月发布的跟踪实验初步结果，研究者表示他们即将迎来一个更大的进展——点火（ignition）。到那时，燃料可以继续自己「燃烧」，也将产生比激发最初反应所需能量更多的能量。

论文共同一作、劳伦斯利弗莫尔国家实验室实验物理学家 Alex Zylstra 表示，「我们离实现下一步目标非常近了。」

核聚变（nuclear fusion）将水分子中的两种氢（氘和氚，氢的两种同位素或形式）压在一起。当它们融合时，没有参与此项研究的密歇根大学实验等离子体物理学家 Carolyn Kuranz 表示，「少量（毫克）的燃料会产生大量的能量，并且非常『干净』，不会生成放射性废弃物。这基本上是无限的清洁能源，并可以部署在任何地方。」

研究回顾

几十年来，世界各地的研究人员一直致力于这项研究，尝试了不同的方法。其中，35 个国家在法国南部合作开展了一个名为国际热核试验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）的项目，该项目使用巨大的磁性材料来控制过热的等离子体。该项目预计将于 2026 年运营。

同样没有参与这项研究的普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory）主任 Steven Cowley 介绍道，美国和英国开展的早期实验成功地融合了原子，但没有实现自发热。

位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的 NIF 目标湾（Target Bay）。该系统使用 192 束激光束汇聚在巨大球体的中心，使一个微小的氢燃料芯块（hydrogen fuel pellet）内爆。图源：Lawrence Livermore National Laboratory

但现在不能指望核聚变实用化。共同一作、伦斯利弗莫尔国家实验室首席科学家 Omar Hurricane 表示，「在科学上，这些结果令我们非常兴奋。但我们离实现有效能量（useful energy）还有很长的路要走。也许需要几十年。」

美国国家点火装置（NIF）。

技术概览

获得燃烧等离子体是实现自持（self-sustaining）聚变能量的关键一步。燃烧等离子体是一种等离子体，其中聚变反应本身是等离子体中加热的主要来源，对于维持和传播燃烧是必需的，可以实现高能量增益。

经过数十年的聚变研究，研究者在实验室中实现了燃烧等离子体状态，其中一个激光装置可以在燃料胶囊中提供高达 1.9 兆焦耳的脉冲能量，峰值功率高达 500 太瓦。他们使用激光在辐射腔中产生 X 射线，然后通过 X 射线烧蚀压力间接驱动燃料胶囊，从而使得内爆过程通过机械功压缩和加热燃料。

这些实验表明，聚变自热（fusion self-heating）超过了注入内爆的机械功，满足了几项燃烧等离子体指标。此外，研究者描述了一个似乎已经跨越静态自热边界的实验子集，其中聚变加热超过了辐射和传导的能量损失。这些结果为在实验室中研究以 α 粒子为主的等离子体和燃烧等离子体物理学提供了机会。

评估燃烧等离子体的简单指标。

此前，研究者在实验室中已经花了好几年的时间，而且很多尝试都失败了。他们做出了调整：将燃料胶囊（ fuel capsule）增大了 10%。

燃料胶囊装在一个微小的黄金金属柱体中，研究者将 192 束激光对准该柱体。研究者将它加热到 1 亿度，在燃料胶囊内部产生的压力比太阳中心内部的压力高出 50% 左右。Alex Zylstra 表示，这些实验创造了持续了仅万亿分之一的燃烧等离子体，但这足以被认为是成功的。

用于融合的间接驱动惯性约束方法示意图。

总的来说，该研究中做的四项实验（分别做于 2020 年 11 月和 2021 年 2 月）产生了 0.17 兆焦耳（megajoule）的能量，远远超出了以往的尝试，但仍然不到启动该过程所用能量的十分之一。作为对比，一兆焦耳的能量大约可以将一加仑（约 3.8 升）的水加热到 100 华氏度（约 37.8 摄氏度）。