美國可控核聚變 4 次點火成功，刷新紀錄登 Nature！首席女科學家入選年度十大人物

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(lǐng)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(shè)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(lǐng)團隊分析實驗數(shù)據(jù)，并使用計算機模型設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)：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(lǐng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(luò)，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(shè)計團隊，他們設(shè)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(shè)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 衛(wèi)星系統(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(shè)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。

參考資料：

• https://www.nature.com/articles/d41586-023-04045-8

• https://www.nature.com/articles/d41586-023-03923-5

• https://lasers.llnl.gov/news/llnls-nif-delivers-record-laser-energy

• https://lasers.llnl.gov/news/nif-an-engineering-marvel

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