美国实验室如何再次利用核聚变创造能源

大约八个月前，美国政府资助的实验室的科学家复制了为恒星提供能量的过程——核聚变——并且产生的能量超过了他们投入的能量。现在，同一设施——北加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF) 的物理学家和工程师似乎已经第二次成功创建了能量获取型聚变实验。

NIF 的最新成果距离实现核聚变为世界提供清洁、丰富能源的梦想又近了一步，这是漫长道路上的第二步。要在你的城市建成核聚变发电厂，还有很长的路要走。但科学家们对此持乐观态度。

英国约克大学的核聚变科学家约翰·帕斯利 (John Pasley) 表示：“这表明 NIF 的科学家和他们的合作者对 12 月发生的事情有足够的了解，所以他们能够再次实现这一点。”他并未参与此次实验。

NIF 拒绝发表评论，并指出该设施的科学家尚未正式公布他们的研究结果。在此之前，我们对 7 月 30 日进行的这项实验的细节知之甚少。

实现聚变的方法有很多种，NIF 采用的是惯性约束聚变 (ICF) 方法。在 NIF 的装置中，一束高能激光分裂成 192 束较小的光束，照射到科学家称之为空腔的胶囊中。在空腔壁内，这种光束会产生 X 射线，撞击胶囊的填充物：氘和氚颗粒，在比太阳更高的温度和压力下对其进行超级挤压，从而引发聚变。

所有这些工作的目标是超越盈亏平衡点，产生的能量超过激光所投入的能量：核聚变科学家称之为增益。在 12 月的实验中，2.05 兆焦耳的激光束产生了 3.15 兆焦耳的核聚变能量。在 NIF 发布其数据之前，我们无法确切知道，但匿名消息人士告诉《金融时报》 ，这第二次成功创造了更大的增益。

[相关：冷聚变正在科学领域卷土重来]

此外，12 月份的实验实现了自热：核聚变反应自发产生能量的状态，就像一团不再需要生火的火。许多科学家认为自热是 ICF 发电的先决条件。外界科学家推测 NIF 的新实验也实现了自热。

“科学研究过程中一个明显的部分就是你会得到相同的结果，”麻省理工学院核聚变科学家丹尼斯·怀特 (Dennis Whyte) 表示，他也没有参与 NIF 研究。“当然，这非常令人振奋。”

这绝非易事。ICF 实验极其精密。激光角度、空腔和颗粒形状以及数十种其他因素中的任何一个的细微变化都可能极大地改变输出。12 月的 NIF 几乎触及了聚变增益的表面，很明显，微小的变化是实现收支平衡与否的区别。

“我们还会重复实验，不仅是为了看看它们是否会重复，也是为了观察敏感性，”怀特说。“看到实验之间的差异和差异真的很令人兴奋。”

自 20 世纪 50 年代以来，核聚变科学家一直试图实现 NIF 团队在过去一年中两次实现的目标。但长期目标是将这些实验成果转化为清洁、廉价、丰富的能源，供世界人民使用。将这一里程碑转化为发电厂则完全是另一回事，而且这才刚刚开始。如果在实验室中创造收益就像学习生火，那么用它来发电就像建造蒸汽机。

帕斯利说：“我希望他们逐渐将重点从点火和增益演示转向更接近于在聚变动力反应堆中采用的目标设计的研究。”

[相关：微软认为这家初创公司能在 2028 年实现核聚变]

为了建造可行的发电厂，NIF 需要获得更大的收益。12 月份的实验产生的能量是 NIF 科学家投入的 1.5 倍。即使 7 月份的实验产生的能量是 2 到 3 倍，NIF 也远远达不到核聚变科学家认为可行的发电厂所需的收益：大约 100 倍。

这种规模的增益也将使核聚变成为更大电网的可行补充。很难低估 NIF 成就的重要性，但该设施实际上产生的能量并没有超过它从外界获取的能量。为了给产生 3.15 兆焦耳的激光器供电，该设备需要从加州电网获取 300 兆焦耳的能量。

NIF 并不是完成这项任务的最佳地点，部分原因是它是为了维护美国核武器储备而建造的，无法一直专注于核聚变。但就目前而言，NIF 可能会继续尝试，进行越来越多的激光发射。科学家可以将结果与模拟结果进行比较，以了解表面下正在发生的事情。

怀特说：“我们现在假设我们将进行数十次[运行]，并且我们将真正学到很多东西。”