能源部的激光突破对核聚变意味着什么

自 20 世纪 50 年代以来，科学家一直致力于将核聚变（为太阳提供能量的那种反应）带到地球。

12月5日凌晨1点刚过，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点火装置（NIF）的科学家们终于达到了核聚变史上的一个重要里程碑：实现了产生的能量比科学家投入的还要多的反应。

这一刻还不会在你的城市里建造一座核聚变发电厂——但这是朝着那个目标迈出的重要一步，也是科学家们从探索之初就一直追求的目标。

“这奠定了基础，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家 Tammy Ma 今天在美国能源部新闻发布会上表示。“它证明了基本的科学可行性。”

从外观上看，NIF 是旧金山东部半干旱山谷中一座不起眼的工业建筑。从内部看，科学家们一直在研究恒星的能量（与 NIF 的另一项主要任务——核武器研究交替进行）。

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核聚变是太阳产生热量和光的方式，这些热量和光温暖并照亮地球，维持生命。它涉及将氢原子压在一起。由此产生的反应产生氦和能量——相当多的能量。你今天活着就是因为它，而太阳在这个过程中不会产生一丝温室气体。

但要将核聚变转化为地球上的能源，就需要与太阳中心相匹配的条件：温度高达数百万度。在地球上创造这种环境的复制品需要巨大的能量——远远超过研究人员通常生产的能量。

激光瞄准微小目标

几十年来，科学家一直在努力回答一个基本问题：如何微调核聚变实验以创造真正获得能量的正确条件？

NIF 的解决方案涉及一系列高能激光束。首先，专家们将一个胡椒粒大小的颗粒塞入一个花生大小、镀金、开口的圆柱体（称为空腔），颗粒中含有氘和氚，即带有额外中子的氢原子形式。

然后，他们发射一束激光，分成 192 束经过精细调节的光束，依次从两端进入黑腔并撞击其内壁。

“我们不会一下子用所有的激光能量打击目标，”NIF 的科学家 Annie Kritcher 在新闻发布会上说道。“我们会在特定的时间分配特定的能量，以达到所需的条件。”

在激光束的照射下，反应室的温度上升到数百万度，开始产生一连串的 X 射线，猛烈地冲击燃料球。这些射线会剥落燃料球的碳外壳，开始压缩里面的氢原子，使其温度上升到数亿度，挤压和压碎原子，使其压力和密度高于太阳中心。

如果一切顺利的话，就会启动融合。

新的世界纪录

当 NIF 于 2009 年启动时，核聚变世界纪录属于英国的联合欧洲环面 (JET)。1997 年，JET 的科学家使用一种基于磁铁的方法，即托卡马克，产生了他们投入能量的 67%。

这一纪录保持了二十多年，直到 2021 年底，NIF 科学家打破了这一纪录，达到了 70%。此后，许多激光观察者悄悄提出了一个显而易见的问题： NIF 能达到 100% 吗？

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但核聚变是一门极其精密的科学，而且核聚变实验的结果很难预测。任何如此高温的物体都会违背科学家的意愿冷却下来。设置中的微小、偶然的差异——从激光束的角度到颗粒形状的微小缺陷——都可能对反应结果造成巨大影响。

正是由于这个原因，每次 NIF 测试（大约需要十亿分之一秒）都需要数月的精心规划。

“所有这些工作都为上周一凌晨 1 点的某一刻做好了准备，我们在那时进行了一次发射......随着数据开始传来，我们首次看到了产生的聚变能量大于激光输入的迹象”，NIF 的科学家 Alex Zylstra 在新闻发布会上说道。

这次，NIF 的激光将 2.05 兆焦耳的能量注入到小球中，而小球爆发出 3.15 兆焦耳的能量（足够为普通美国家庭供电约 43 分钟）。NIF 科学家不仅实现了 100% 点火的里程碑，而且更进一步，达到了 150% 以上。

“说实话……我们并不感到惊讶，”通用聚变公司的系统工程师迈克·唐纳森 (Mike Donaldson) 表示。通用聚变公司是一家总部位于加拿大温哥华的私营公司，旨在到 2030 年代建成一座具有商业可行性的核聚变工厂，但他并未参与 NIF 实验。“我想说，这正朝着正确的方向发展。这确实是多年渐进式进步的结晶，我认为这太棒了。”

但有一个问题

这些数字仅仅说明了激光器输出的能量——忽略了一个事实：作为地球上最大、最复杂的激光器之一，它首先需要加州电网提供约 300 兆焦耳的电力才能启动。

“这台激光器的设计初衷并不是高效，”LLNL 的科学家 Mark Herrmann 在新闻发布会上表示。“这台激光器的设计初衷是尽可能地提供更多的能量。”平衡这台耗能激光器似乎是一件艰巨的任务，但研究人员对此持乐观态度。这台激光器是基于 20 世纪末的技术制造的，NIF 的领导人表示，他们确实看到了一条让其更高效、更强大的途径。

即使他们能做到这一点，专家们也需要弄清楚如何通过重复发射来获得能量。这是另一个巨大的挑战，但这是让这里成为可行的发电厂基地的关键一步。

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“今天的科学成果非常棒，”唐纳森说。“我们还需要关注使核聚变商业化所需的所有其他挑战。”

核聚变发电厂很可能采用不同的技术。许多实验反应堆，如 JET 和法国南部正在建设的 ITER，都试图用强大的磁铁在专门设计的室内塑造和塑造超热等离子体，以代替激光来重现太阳。最近蓬勃发展的私营部门核聚变努力中，大多数也都在努力采用磁方法。

无论如何，你还需要很长时间才能读到一篇关于廉价聚变能驱动的设备的文章——但这一天可能已经向一个重要的里程碑靠近。

马云在新闻发布会上说：“从第一次设想用激光点火至今，已经过去了 60 年。这确实证明了那些实现这一目标的人的毅力和奉献精神。这也意味着我们有毅力将聚变能源引入电网。”