核聚变8问

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：二宗主，题图来自：《钢铁侠》

输出能量大于输入能量！

这是核聚变领域的科学家在过去60多年里一直追逐的目标。在经历不懈地努力后，12月5日凌晨1点，位于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）终于迎来了激动人心的时刻：研究团队将2.05兆焦耳的激光聚焦到一个胡椒粒大小的聚变燃料丸上，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出！

这是可控核聚变的一个里程碑式突破。此次的突破意味着什么？让我们从聚变开始说起。

什么是核聚变?  

核聚变是两个轻原子核相互碰撞形成重原子核，并释放出大量能量的过程。

例如，在极端的温度和压力下，氢的两种同位素——氘（含有一个中子和一个质子）和氚（包含两个中子和一个质子）的原子核会聚变形成氦核。氦核也被称为α粒子，其质量略小于氘核和氚核的质量之和。根据爱因斯坦最著名的方程E=mc²，该质量差会以能量的形式释放出来。

核聚变反应

由于光速（c）是一个非常大的数值，因此哪怕只是将一小部分的质量（m）转化为能量（E），都将是巨大的。

为什么核聚变如此重要？  

几十年来，核聚变一直是能源领域的“下一件大事”。就发电潜力而言，没有任何一种能源能像核聚变那样清洁、低碳、低风险、低废弃物、可持续和可控。

与石油、煤炭、天然气或其他化石燃料来源不同，核聚变不会产生任何温室气体；与太阳能、风能或水力发电不同，它无需依赖于所需自然资源的可用性；与核裂变不同，它没有燃料熔化的风险，也不会产生长期的放射性废物。

可以说，在所有能源方案中，核聚变在发电方面是最佳的。然而问题是，尽管科学家已经可以通过各种不同的方式实现核聚变反应，但从来没有一个持续的聚变反应实现了所谓的“核聚变点火”。

什么是核聚变点火？  

所谓核聚变点火，指的是当聚变反应所产生的能量等于或大于输入能量的时刻。具体来说，在聚变反应堆中，一旦达到合适的条件，聚变反应就会释放出一些粒子，其中包括α粒子，这些粒子会与周围的等离子体发生相互作用，进一步加热等离子体，加热后的等离子体会释放出更多的α粒子，最终形成一个能够自我维持的反应。

NIF是个什么样的设备？  

现有的聚变反应堆可以分为两大类，一种是惯性约束聚变反应堆，还有一种是磁约束聚变反应堆。国家点火装置（NIF）是一个有着体育场大小的惯性约束聚变实验装置。它是世界上最精确、最可重复的激光系统。

NIF能精确地对多达192束强大的激光进行引导、放大、反射和聚焦，让它们在十亿分之一秒的时间内，射向一个只有厘米大小的被称为腔靶的空心圆柱体。在腔靶中，悬浮着一颗胡椒粒大小的燃料丸，燃料丸内装有氢同位素——氘和氚。

2022年12月5日，LLNL的NIF所采用的用于实现点火的腔靶，在腔靶中悬浮着低温的燃料丸。（图/LLNL）

在这个过程中，激光会输送超过2兆焦耳的紫外线能量和500万亿瓦的峰值功率。由此会产生所谓的软X射线“浴”，这些射线会烧蚀或“炸掉”燃料丸的表面，产生一个强烈的爆聚（implosion）。

激光照射形状像橄榄球的NIF腔靶上，腔靶中具有一个铝制燃料丸，这是NIF系统正在探索的几个新的靶设计之一。激光通过激光入口孔进入腔靶，撞击腔靶的内部并产生X射线。激光束被排列成两个圆锥体——一个内圆锥体指向腔靶的腰部，一个外圆锥体指向靠近两个顶端的位置。当一个能够自我维持的聚变反应产生的能量超过传递到靶的激光能量时，就实现了点火。（图/Jacob Long）

爆聚会压缩并加热燃料丸内被部分冻结的氢同位素，使其达到只有在恒星和巨行星的核心以及爆炸的核武器中才会出现的压力和温度。这样的极端环境会导致靶中的氢原子在可控的热核反应中聚变，氢同位素融合成氦，并释放能量。

NIF做到了什么？  

要评估聚变实验的成功与否，物理学家需要观察聚变过程中释放的能量与激光器输送的能量之比，这个比值叫增益。如果增益超过1，就意味着聚变过程释放的能量比激光输送的能量更多。

自从第一次NIF激光发射以来，科学家便不断创造能量产生的记录。2018年5月，NIF向腔靶发射了创纪录的2.15兆焦耳的紫外线能量。到了2021年8月8日，NIF实验更是破纪录地产生了超过1.3兆焦耳的能量输出，首次接近达到触发核聚变中的点火的阶段。

为了实现聚变点火，NIF的激光能量在腔靶内转换成X射线，然后压缩燃料丸，直到它爆聚，产生高温高压等离子体。（图/LLNL）

这次，NIF的科学家在新实验开始之前，就对实验装置进行了多次修改。除了将激光功率提高了8%左右，他们还创造了一个缺陷更少的腔靶，并调整了激光能量传递到腔靶的方式，以产生一个更球形的爆聚。

最终，NIF用激光向腔靶输送了2.05兆焦耳的能量，释放出了3.15MJ的能量。输出的能量比输入能量大约多了54%，增益约达到1.5，打破了NIF在2021年8月创下的0.7（输出能量约1.3兆焦耳）的纪录。

这一结果意味着什么？  

近半个世纪以来，核聚变能源一直是能源领域的“圣杯”。约1.5倍的增益是一个真正历史性的科学突破，表明NIF已经成功地实现了点火。

但是，虽然NIF可以实现点火，它却并非一个真正的聚变能源装置。一个真正的聚变能源装置需考虑的不仅仅是激光和燃料之间的单一能量比，还需考虑整个系统的能耗。3.15兆焦耳的聚变能虽然高于2.05兆焦耳的激光能，但在这个过程中，NIF的192个激光器消耗了300兆焦耳的能量。这意味着科学家还需努力提高效率。

在新实验中，NIF的研究人员做到了输入的激光能量（蓝圈）少于聚变反应产生的能量（红圈），实现了核聚变点火。但是他们大约使用了300兆焦耳（300MJ）的能量来创造这些激光。（图片参考 / Andrew Grant & Greg Stasiewicz via Physics Today）

尽管如此，对于NIF来说，这样的结果已经非常值得称赞。因为NIF的设计初衷并非为了提高效率，而是设计成可以建造的最大激光器。虽然这样的结果并不代表我们已经解决了能源需求，但不可否认的事，这是一次伟大的成功，它标志着我们向商业核聚变迈出了巨大一步。

已经接近商业应用了吗？  

答案是否定的。自20世纪50年代初以来，核聚变反应的研究一直在进行。这次是首次在实验室中见证核聚变产生的能量超过其消耗的能量。然而，在核聚变成为一种可行的能源之前，我们还有很长的路要走。

这次释放的能量约是3兆焦耳。3兆焦耳的能量有多少？为了帮助理解，哈佛大学的物理学家、化学家Adam Cohen在接受采访时解释道，3兆焦耳的能量仅相当于我们吃一个果冻甜甜圈所获得的能量，约500千卡。

即便你可能认为500千卡的热量已经不少了，但考虑到这是一个价值数十亿美元的设施每八小时发射一次所获得的能量，就会意识到就实际生产所需的能源数量而言，这远远低于我们所需的水平。

还有哪些地方可以改进？ 

如何能使这一过程更加高效，或将成为这一领域接下来的研究重点。

NIF所能产生的2兆焦耳的能量，是地球上第二强的激光的50倍。如果能拥有更强的激光器和更低能耗的激光器生产方法，将可以大大提高系统的整体效率。

核聚变条件的维持是非常具有挑战性的，燃料丸中的任何微小缺陷都会增加对能量的需求，并同时降低效率。在更有效地将激光能量转移到腔靶，以及将腔靶中的X射线辐射转移到燃料丸方面，科学家已经取得了很大的进展，但目前，仍然只有大约10~30%的激光总能量转移到腔靶的燃料丸中。

另外，燃料中的氘在海水中有着丰富的储量，但氚则稀缺得多。核聚变本身会产生氚，因此现在研究人员希望能找到直接利用这些氚的方法。与此同时，还有其他一些方法也可以生产所需的燃料。在核聚变能真正投入广泛应用之前，还有许多其他科学、技术和工程障碍都需要克服。

参考来源：

https://lasers.llnl.gov/science/pursuit-of-ignition

https://lasers.llnl.gov/about/what-is-nif

https://lasers.llnl.gov/about/keys-to-success/power-and-energy

https://theconversation.com/why-fusion-ignition-is-being-hailed-as-a-major-breakthrough-in-fusion-a-nuclear-physicist-explains-196475

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/nuclear-fusion-breakeven/

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7

https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/12/why-nuclear-fusion-is-so-exciting/

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