憑借 192 束激光以及比太陽(yáng)中心高三倍以上的溫度，科學(xué)家們?cè)谕ㄍ鶐缀鯚o(wú)污染聚變能源的漫長(zhǎng)道路上（至少在幾分之一秒內(nèi)）達(dá)到了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑。
今日，美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility）研究者的一項(xiàng)研究登上了最新一期的《自然》雜志的封面。研究者成功地激發(fā)了一種持續(xù)很短時(shí)間的聚變反應(yīng)，這是一項(xiàng)重大的壯舉，因?yàn)榫圩冃枰浅８叩臏囟群蛪毫?，很容易熄滅?/p>
這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是像太陽(yáng)產(chǎn)生熱量一樣實(shí)現(xiàn)發(fā)電，通過(guò)壓碎氫原子并使它們彼此靠近，然后生成氦以釋放大量的能量。但是，自理論提出以來(lái)，人們和這個(gè)目標(biāo)的距離一直是「需要數(shù)年時(shí)間」。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-w
一支有 100 多人參與的團(tuán)隊(duì)在論文《Burning plasma achieved in inertial fusion》中發(fā)表了四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并展示了他們?nèi)〉玫某删汀紵入x子體（ burning plasma）。有了這些結(jié)果以及 2021 年 8 月發(fā)布的跟蹤實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果，研究者表示他們即將迎來(lái)一個(gè)更大的進(jìn)展——點(diǎn)火（ignition）。到那時(shí)，燃料可以繼續(xù)自己「燃燒」，也將產(chǎn)生比激發(fā)最初反應(yīng)所需能量更多的能量。
論文共同一作、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Alex Zylstra 表示，「我們離實(shí)現(xiàn)下一步目標(biāo)非常近了?！?/p>
核聚變（nuclear fusion）將水分子中的兩種氫（氘和氚，氫的兩種同位素或形式）壓在一起。當(dāng)它們?nèi)诤蠒r(shí)，沒有參與此項(xiàng)研究的密歇根大學(xué)實(shí)驗(yàn)等離子體物理學(xué)家 Carolyn Kuranz 表示，「少量（毫克）的燃料會(huì)產(chǎn)生大量的能量，并且非?！焊蓛簟?，不會(huì)生成放射性廢棄物。這基本上是無(wú)限的清潔能源，并可以部署在任何地方?！?/p>
幾十年來(lái)，世界各地的研究人員一直致力于這項(xiàng)研究，嘗試了不同的方法。其中，35 個(gè)國(guó)家在法國(guó)南部合作開展了一個(gè)名為國(guó)際熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）的項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用巨大的磁性材料來(lái)控制過(guò)熱的等離子體。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于 2026 年運(yùn)營(yíng)。
同樣沒有參與這項(xiàng)研究的普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（Princeton Plasma Physics Laboratory）主任 Steven Cowley 介紹道，美國(guó)和英國(guó)開展的早期實(shí)驗(yàn)成功地融合了原子，但沒有實(shí)現(xiàn)自發(fā)熱。
位于勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家點(diǎn)火裝置的 NIF 目標(biāo)灣（Target Bay）。該系統(tǒng)使用 192 束激光束匯聚在巨大球體的中心，使一個(gè)微小的氫燃料芯塊（hydrogen fuel pellet）內(nèi)爆。圖源：Lawrence Livermore National Laboratory
但現(xiàn)在不能指望核聚變實(shí)用化。共同一作、倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家 Omar Hurricane 表示，「在科學(xué)上，這些結(jié)果令我們非常興奮。但我們離實(shí)現(xiàn)有效能量（useful energy）還有很長(zhǎng)的路要走。也許需要幾十年?！?/p>
美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）。
獲得燃燒等離子體是實(shí)現(xiàn)自持（self-sustaining）聚變能量的關(guān)鍵一步。燃燒等離子體是一種等離子體，其中聚變反應(yīng)本身是等離子體中加熱的主要來(lái)源，對(duì)于維持和傳播燃燒是必需的，可以實(shí)現(xiàn)高能量增益。
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的聚變研究，研究者在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了燃燒等離子體狀態(tài)，其中一個(gè)激光裝置可以在燃料膠囊中提供高達(dá) 1.9 兆焦耳的脈沖能量，峰值功率高達(dá) 500 太瓦。他們使用激光在輻射腔中產(chǎn)生 X 射線，然后通過(guò) X 射線燒蝕壓力間接驅(qū)動(dòng)燃料膠囊，從而使得內(nèi)爆過(guò)程通過(guò)機(jī)械功壓縮和加熱燃料。
這些實(shí)驗(yàn)表明，聚變自熱（fusion self-heating）超過(guò)了注入內(nèi)爆的機(jī)械功，滿足了幾項(xiàng)燃燒等離子體指標(biāo)。此外，研究者描述了一個(gè)似乎已經(jīng)跨越靜態(tài)自熱邊界的實(shí)驗(yàn)子集，其中聚變加熱超過(guò)了輻射和傳導(dǎo)的能量損失。這些結(jié)果為在實(shí)驗(yàn)室中研究以 α 粒子為主的等離子體和燃燒等離子體物理學(xué)提供了機(jī)會(huì)。
評(píng)估燃燒等離子體的簡(jiǎn)單指標(biāo)。
此前，研究者在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)花了好幾年的時(shí)間，而且很多嘗試都失敗了。他們做出了調(diào)整：將燃料膠囊（ fuel capsule）增大了 10%。
燃料膠囊裝在一個(gè)微小的黃金金屬柱體中，研究者將 192 束激光對(duì)準(zhǔn)該柱體。研究者將它加熱到 1 億度，在燃料膠囊內(nèi)部產(chǎn)生的壓力比太陽(yáng)中心內(nèi)部的壓力高出 50% 左右。Alex Zylstra 表示，這些實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了持續(xù)了僅萬(wàn)億分之一的燃燒等離子體，但這足以被認(rèn)為是成功的。
用于融合的間接驅(qū)動(dòng)慣性約束方法示意圖。
總的來(lái)說(shuō)，該研究中做的四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)（分別做于 2020 年 11 月和 2021 年 2 月）產(chǎn)生了 0.17 兆焦耳（megajoule）的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往的嘗試，但仍然不到啟動(dòng)該過(guò)程所用能量的十分之一。作為對(duì)比，一兆焦耳的能量大約可以將一加侖（約 3.8 升）的水加熱到 100 華氏度（約 37.8 攝氏度）。
與接近點(diǎn)火相關(guān)的參數(shù)空間。
根據(jù)之前的信息，2021 年晚些時(shí)候所做實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果仍在接受其他科學(xué)家的審查，當(dāng)時(shí)研究者能量輸出達(dá)到了 1.3 兆焦耳，并持續(xù)了 100 萬(wàn)億分之一秒。但即便如此，這個(gè)數(shù)值也低于達(dá)到收支平衡所需的 1.9 兆焦耳。
參考鏈接：
https://phys.org/news/2022-01-hot-lab-milestone-road-fusion.html
https://www.reuters.com/business/energy/researchers-achieve-milestone-path-toward-nuclear-fusion-energy-2022-01-26/
本文來(lái)自微信公眾號(hào)“機(jī)器之心”（ID:almosthuman2014），編輯：杜偉、澤南，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
