美国国家点火装置实现核聚变点火—聚变产生的能量多于激光输入

激光聚焦在金罐上，金罐发出 X 射线以加热和压缩内部的核燃料。图片来源：NIF/LLNL

当地时间12月13日可靠加拿大28群吧！，美国能源部和国家核安全局宣布，国家点火装置（NIF）在12月5日的一次实验中成功实现核聚变点火——聚变产生的能量超过激光输入。的能量。这个耗资 35 亿美元的装置发射 192 束载有 2.05 兆焦耳能量的激光束，在一个只有几毫米大小的燃料箱上产生 3.15 兆焦耳的能量——大约足以煮沸 10 壶水。

编译｜张琪、王宇

作为科幻小说中最喜欢的能源，核聚变具有许多奇妙的特性。首先，地球上有大量的核聚变燃料。如果将海水中的氘全部提取出来进行核聚变，海水的能量密度可与石油相媲美；其次，核聚变需要外部环境的介入来主动维持。失效反应会自动停止，安全隐患远小于核裂变。此外，核聚变不会排放温室气体，也不会产生半衰期较长的放射性废物，堪称清洁能源。

但除了那些玩文字游戏，把光伏发电算作核聚变发电的人，人类至今还没有在核聚变上实现产出大于投入。

但事情正在发生变化。当地时间12月13日，美国能源部和国家核安全局宣布，美国国家点火装置（NIF）成功实现核聚变点火。输入 2.05 兆焦耳的激光能量，核聚变可以产生 3.15 兆焦耳的能量——输出的能量刚好足以将 10 升水从 25 摄氏度燃烧到 100 摄氏度。

核聚变点火

NIF 是一个耗资 35 亿美元的庞然大物，占地面积相当于三个美式足球场。从2010年开始试验，原计划2012年实现核聚变点火，但计划一再推迟。还要继续超支。在实验过程中，NIF 可以发射 1053 纳米的红外脉冲，分为 192 束，每束激光的长度只有几纳秒。红外激光转换为 351 纳米的紫外光，最终聚焦在燃料球上。燃料球是一个铅笔橡皮大小的金罐PC蛋蛋QQ群薇，里面装着一个胡椒粒大小的燃料盒。黄金被加热到数百万度，它会发出 X 射线美国实现核聚变点火，使胶囊的钻石壳汽化。爆炸的钻石使燃料内爆，

国家点火装置 (NIF) 示意图。图片来源：公共领域

如果实验条件足够理想，聚变反应将从中心热点开始，并顺利向外扩散。聚变产生的热量会引发更多的核燃烧。核燃料的这种自持燃烧状态称为核聚变点火。实现核聚变点火所需的条件称为劳森准则，即核聚变物质的密度、温度和约束时间的乘积必须超过10²5eV·s·m-³。核聚变能力的可能性。

去年8月8日，NIF已经使核聚变输出能量达到输入能量的70%。今年8月8日，研究团队在《物理评论快报》上介绍了实验结果。他们在实验中突破了劳森准则，但还没有达到最终的能量平衡。当时输入能量为1.92兆焦，聚变反应能量达到1.37兆焦。

但在那次突破之后全天加拿大28靠谱群!!，NIF 团队发现他们已经无法重蹈覆辙。后来发现，使用光滑的金刚石胶囊是关键——2021 年 8 月的胶囊最光滑，几乎呈球形。他们还使胶囊更厚一些，这提供了更大的动量，但需要更长、更强大的激光脉冲。因此调整激光器以将能量从 1.9 MJ 增加到 2.05 MJ。

9 月份的一项实验产生了 1.2 兆焦耳的能量，研究人员认为他们的方向是正确的。但那次燃料球被压扁，压缩不均匀，激光脉冲需要微调。最后，通过调整激光的 192 束光束之间的能量，他们能够实现更加球形的内爆。终于在12月5日得到了这样一个结果——输入2.05 MJ，输出3.15 MJ。

非电核聚变

劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 主任 Kim Budil 将这一成就归功于概念证明：“我不希望你认为我们将把 NIF 连接到电网。：这绝对不是它的工作原理。但是（这一成就）是惯性约束计划的一个组成部分。” 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室是NIF的主管单位。

NIF的核燃料球被放置在图中的装置中，192道激光束将一起轰击燃料球加拿大28群台子，产生核聚变。图片来源：NIF/LLNL

如果算上账本，NIF 远非输出大于输入。NIF 的激光效率低下。要产生 2.05 兆焦耳的能量，激光器需要消耗 322 兆焦耳的能量。为了实现总输出大于总输入，NIF需要将效率至少提高两个数量级。

罗切斯特大学激光能量学实验室的 Riccardo Betti 说，目前的实验方案还有另一个低效率问题——它依赖于“间接驱动”加拿大28微信群大全，其中聚变不是由激光引发的。本身，而是激光击中金罐时产生的 X 射线。只有 1% 的激光能量转化为燃料。他喜欢“直接驱动”，这是他的实验室使用的方法，它使用激光功率的 5%。2020年，Betty作为NIF聚变能源科学顾问委员会成员与人合着了一份报告，建议NIF使用“直接驱动”。“我们需要一种新的范式，”比蒂说，但“还没有明确的方法来做到这一点。”

另外，如果要用NIF发电，实验重复率也是一个重要的问题。目前，NIF 每天只能进行一次这样的实验。为了产生可与真实发电厂相媲美的电力，NIF 需要将实验频率提高到每天 100 万次——大约每秒 10 次。每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百万个胶囊，这也是一项巨大的工程挑战。

NIF 整体效率相对低下还有一个重要原因。“NIF 的设计并不是为了提高效率，”纽约伊萨卡康奈尔大学的核工程师 Dave Hammer 说。“它被设计成我们可以建造的最大的激光器，并为我们的核库存研究计划提供所需的数据。”

从NIF所属的组织结构就可以看出端倪。NIF隶属于劳伦斯利弗莫尔国家实验室，该实验室是美国核安全局的下属单位，由美国能源部副部长全职管理。在美国，核武器和核反应堆由美国能源部 (DOE) 管理。“现在最大的问题是能源部接下来要做什么：是否要加强 NIF 对核武器的研究？” 物理学家 Stephen Bodner 说，他曾在美国海军研究实验室 Intensity 领导过激光聚变项目？还是转向以聚变能为导向的研究？”

“人造太阳”呢？

实现核聚变的途径主要有两条：惯性约束和磁约束。NIF即惯性约束，利用激光脉冲对核燃料进行加热加压，实现核聚变。我们平时在新闻上看到的“中国太阳”就是一个磁约束装置。磁约束通常使用托卡马克装置（另一类称为仿星器的装置近年来也获得了一些牵引力），它使用强大的环形磁场将大量热等离子体云限制在其中，使其进行核聚变。从全球范围来看美国实现核聚变点火，磁约束是比较主流的解决方案。

近两年，中韩“人造太阳”连续刷新高温、长期运行记录——这是磁约束核聚变实现点火、输出大于输入的关键手段。但实际上，中韩实验都是一个更大实验的一部分，都是为了更深入地参与国际热核聚变实验堆（ITER）。