美国国家点火装置实现聚变点火

据悉，华盛顿—美国能源部(DOE)和能源部下属的国家核安全管理局(NNSA)宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)取得了聚变点火的成就，这是几十年来的一项重大科学突破，将为国防进步和清洁能源的未来铺平道路。12月5日，LLNL国家点火装置(NIF)的一个团队进行了历史上第一个受控聚变实验，以记录这一里程碑，也被称为科学能量盈亏平衡，这意味着它从聚变中产生的能量比用于驱动它的激光能量更多。这一史无前例的壮举将为支持NNSA的库存管理计划提供前所未有的能力，并将为清洁聚变能源的前景提供宝贵的见解。

研究人员首次从核聚变中产生的能量超过了用于驱动核聚变的能量，有望在清洁能源和核武器管理方面取得进一步的发现。

U.S. Department of Energy美国能源部(DOE)

National Nuclear Security Administration美国国家核安全管理局(NNSA)

Lawrence Livermore National Laboratory劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)

National Ignition Facility美国国家点火装置（NIF）

美国能源部长Jennifer M. Granholm说:“对于国家点火装置的研究人员和工作人员来说，这是一个里程碑式的成就，他们一直致力于见证聚变点火成为现实，这一里程碑式的成就无疑将激发更多的发现。”“拜登-哈里斯政府致力于支持世界级科学家，比如NIF的团队，他们的工作将帮助我们解决人类最复杂和紧迫的问题，比如提供清洁能源来应对气候变化，以及在不进行核试验的情况下保持核威慑力量。”

图示：LLNL国家点火装置的实验室，在2022年12月5日，192束激光束向一个微小的燃料球传递了超过200万焦耳的紫外线能量，以产生聚变点火。

“我们已经对核聚变有了一个多世纪的理论理解，但从了解到实践的过程漫长而艰巨。总统的首席科学技术顾问、白宫科学技术政策办公室主任阿拉蒂·普拉巴卡尔博士说:“今天的里程碑表明，只要坚持不懈，我们可以做到。”

美国参议员亚历克斯·帕迪拉(CA)说:“这一重大的科学突破是清洁能源未来的里程碑。”“虽然在利用核聚变能源的潜力方面还有更多的工作要做，但我为加州科学家继续在开发清洁能源技术方面走在前列感到自豪。我祝贺劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们对清洁能源未来的贡献，我致力于确保他们拥有继续这项重要工作所需的所有工具和资金。”

“这是一件大事。我们可以庆祝国家点火装置又创造了一项性能记录。这一最新成就尤其引人注目，因为NIF使用了比2021年8月实验中更不对称的目标，”美国众议员佐伊·洛夫格伦(CA-19)说。“这一重大进展展示了聚变能源商业化的未来可能性。国会和政府需要充分资助并适当实施最近的CHIPS和科学法案中的聚变研究条款。在第二次世界大战期间，我们精心策划了曼哈顿计划，以便及时取得成果。当今世界面临的挑战比过去更大。我们必须加倍努力，加速研究，探索核聚变所带来的清洁、无限能源的新途径。”

图示：在LLNL的国家点火装置，用于实现点火的低温靶空腔。凹陷的表面散射杂散光，以防止损坏激光。连接一个低温冷却器(最右边)，电线连接到加热器和传感器。

什么是核聚变?

聚变描述了轻原子的原子核(如氢原子)克服使它们分开的排斥静电力时发生的事情。当原子核足够接近时，将质子和中子结合在一起的力，即强力，会接管并将原子核拉得更近，这样它们就会“融合”成一个新的、更重的氦核，有两个中子和两个质子。

氦核也被称为阿尔法粒子，其质量略小于两个氢核质量之和，根据爱因斯坦著名的公式E=mc2，质量差以能量的形式释放出来。能量以阿尔法粒子、高能中子和其他形式的能量如电磁辐射的形式释放出来。

核聚变不同于核裂变，后者是铀等重元素的原子核分裂，形成两种较轻的元素——这一过程被应用于今天的核电站。在这两种核反应中，元素本身都会发生变化，变成新的元素——在这个过程中，少量的质量转化为大量的能量。

图示：在聚变反应中，氢的两种同位素，氘(含有一个中子和一个质子)和氚(两个中子和一个质子)的原子核，在极端的温度和压力下被迫聚在一起，聚变形成氦核。在这个过程中，一部分氢的质量以能量的形式释放出来。

什么是点火?

当目标胶囊中心热点的聚变反应产生的α粒子的加热功率克服x射线损失、电子传导和内爆膨胀的冷却效应时，就会发生聚变点火，从而在聚变燃料中引起自热反馈回路和能量输出的爆炸性放大。NIF的目标是通过核聚变产生与传输到目标的激光能量相同或更多的能量。这将通过创造一个“燃烧等离子体”来实现，在这个等离子体中，聚变反应的燃烧波传播到热点周围的冷燃料中。在这个被称为α加热的过程中，α粒子扩散到整个冷燃料中，储存它们的能量，刺激额外的聚变反应，并大大提高产量。

如果在高密度的燃料层中有足够多的α粒子被“停止”或被吸收，高密度的燃料温度就会高到足以引发自维持的热核反应，导致点火。对科学来说，实现点火将是一个前所未有的、改变游戏规则的突破，并可能有助于为世界开发一种新的无限清洁能源奠定基础。

图示：激光束照射形状像橄榄球的NIF空腔的伪彩色插图，并持有一个铝制燃料胶囊，这是NIF系统上正在探索的几个新目标设计之一。激光束通过激光入口孔进入空腔，撞击空腔内部产生x射线。激光束被布置在两个圆锥体中——一个内圆锥体指向空腔的腰部，一个外圆锥体指向靠近两端的位置。当一个自我维持的聚变反应产生的能量超过传递到目标的激光能量时，就实现了点火。

LLNL的实验超过了聚变阈值，向目标传递了2.05兆焦耳(MJ)的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能输出，首次证明了惯性聚变能(IFE)的最基本科学基础。要实现简单、负担得起的家庭和企业用电所需的IFE，仍然需要许多先进的科学技术发展。能源部目前正在美国重新启动一个基础广泛、协调一致的IFE项目。再加上私营部门的投资，核聚变的商业化进程将有很大的动力。

核聚变是两个轻核结合形成一个重核，释放大量能量的过程。在20世纪60年代，LLNL的一群先驱科学家假设，激光可以在实验室环境中用于诱导聚变。由物理学家John Nuckolls领导，他后来在1988年至1994年担任LLNL主任，这一革命性的想法成为惯性约束核聚变，开启了60多年在激光、光学、诊断、目标制造、计算机建模和仿真以及实验设计方面的研究和开发。

为了实现这一理念，LLNL建造了一系列日益强大的激光系统，从而创建了世界上最大、能量最大的激光系统NIF。NIF位于加州利弗莫尔的LLNL，有一个体育场那么大，它使用强大的激光束来创造温度和压力，就像恒星和巨行星的核心，以及爆炸的核武器内部一样。

图示：为了产生聚变点火，国家点火装置的激光能量在空腔内转换成x射线，然后压缩燃料胶囊，直到它内爆，产生高温高压等离子体。

图示：此图形显示了一个典型的间接驱动目标配置。在中间的图形中，激光束(蓝色)通过不同角度的激光入口孔进入空腔。左上角的饼图显示了金刚石(高密度碳或HDC)烧蚀器内爆中材料的径向分布和尺寸。在左下方，显示了时间激光功率脉冲形状(蓝色)和相关的空腔辐射温度(绿色)。在右侧，在空腔的中心，囊泡沐浴在x射线中，这消融了囊泡的外表面。产生的压力使胶囊内爆，压缩并加热聚变燃料。

创造能源记录

图示：NIF研究人员在实现超过1.3兆焦耳(MJ)的产量后，在聚变点火上，比NIF 2018年的创纪录产量提高了25倍

自从第一次NIF激光发射以来，科学家们已经创造了中子产量和产生的能量的记录。自NIF实验开始以来，中子产量呈指数级增长;更多的能量被耦合到目标胶囊;内爆速度增加;而内爆中心的压力要高很多倍。结果是能量产量稳步增长，并在2021年8月8日达到顶峰，当时NIF实验产生了超过1.3兆焦耳(MJ)的产量，是2018年创下的纪录产量的25倍。

NIF也在2018年5月创造了历史，当时它向目标室发射了创纪录的2.15 MJ的紫外线能量，比NIF的1.8 MJ的设计规格提高了15%，比NIF之前在2012年3月创下的1.9 MJ的能量记录高出了10%以上。

而且，在实验室环境中，最近的NIF实验第一次实现了α加热——当α粒子在冷燃料中刺激额外的聚变反应所产生的能量超过了内爆所传递的动能。当聚变产生的阿尔法粒子的能量沉积对燃料的加热贡献超过50%时，燃烧的等离子体就实现了，最近的实验超过了这个阈值。

如果能得到更好的控制，随着其他问题的解决，这一过程最终将导致核聚变点火。

研究人员现在准备在保持对称控制的同时，通过将更多的激光能量耦合到胶囊中，进一步提高NIF的性能。我们还在寻求一些策略，比如新颖的空腔设计;大的胶囊;磁化目标;胶囊加工、安装和填充的新方法;增加了激光能量。

我们的进步归功于前几代LLNL科学家和工程师数十年的卓越工作，他们将高能量密度和ICF科学领域推进到今天。LLNL的新一代研究人员(如下图所示)。

新的理解

虽然在NIF上实现点火已被证明，但我们在每次实验中都对过程有了新的理解。从模拟的局限性中吸取了重要的经验教训，并利用这些知识来解决问题，不断提高内爆性能。

特别是，高分辨率3D建模和模拟有助于更好地理解干扰源，包括干扰内爆性能的“工程特征”，如悬浮在空腔内的目标胶囊的薄膜和用于向胶囊中注入燃料的填充管。其他抑制能量产生的因素是激光等离子体和流体动力学的不稳定性，驱动内爆的空腔x射线通量的不对称，以及胶囊材料与燃料的混合。

增加创新和强化诊断，如多个视距中子探测器，也导致了目标性能的提高。新型高性能超级计算机和强大的“深度学习”技术能够处理、分析和模拟由这些诊断在大范围扰动源(胶囊表面缺陷、工程特征、驱动器不对称)上产生的3D数据，这大大提高了模拟与实验结果匹配的能力。

与此同时，每一次点火实验都推动了确保国家核储备可靠性的科学发展，以及核聚变作为一种安全、清洁和几乎无限的能源的最终使用的实现。

LLNL主任Kim Budil博士说:“在实验室中追求聚变点火是人类有史以来解决的最重大的科学挑战之一，实现这一目标是科学、工程的成功实现，最重要的是人类的胜利。”

美国参议院多数党领袖查尔斯·舒默(纽约州)表示:“这一惊人的科学进步将我们推向一个不再依赖化石燃料，而是由新的清洁聚变能源驱动的未来。”“我赞扬劳伦斯利弗莫尔国家实验室及其在我国惯性约束聚变(ICF)计划中的合作伙伴，包括纽约罗切斯特大学激光能量学实验室，他们实现了这一突破。要让这个未来的清洁能源世界成为现实，需要我们的物理学家、创新工作者和包括罗切斯特激光实验室在内的美国能源部资助机构的优秀人才，加倍投入他们的前沿工作。这就是为什么我今天也自豪地宣布，我已经帮助ICF项目在今年的国防授权法案中获得了有史以来最高的超过6.24亿美元的授权，以支持在这一惊人的突破上。”

“经过十多年的科学和技术创新，我祝贺劳伦斯利弗莫尔国家实验室和国家点火装置的团队取得了历史性的成就，”美国参议员黛安·范斯坦(CA)说。“这是核聚变领域令人兴奋的一步，劳伦斯利弗莫尔和NIF的每个人都应该为这一里程碑式的成就感到自豪。”

“这是一项历史性的创新成就，建立在利弗莫尔几代科学家的贡献之上。今天，我们的国家站在他们的肩膀上。还有很长的路要走，但这是关键的一步，我赞扬美国能源部和所有为这一突破做出贡献的人，这将有助于为美国和人类创造一个更光明的清洁能源未来，”参议院军事委员会主席、美国参议员杰克·里德(RI)说。

文章来源：

https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition

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