磁铁可能是核聚变的未来

对科学家和梦想家来说，未来能源充沛的最大希望之一就位于旧金山以东一个葡萄酒厂覆盖的山谷中。

这里是位于加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF) 。在 NIF 四四方方的墙壁内，科学家们正在努力创造核聚变，也就是太阳产生能量的物理原理。大约一年前，NIF 的科学家比任何人都更接近核聚变探索中的一个关键关口：产生的能量比投入的多。

不幸的是，对于熟悉核聚变的人来说，这是一个熟悉的结果，那就是这个世界还得等待。在取得这一成就后的几个月里，NIF 科学家未能复制他们的壮举。

但他们并没有放弃。11 月 4 日发表在《物理评论快报》上的一篇最新论文可能让他们更接近解决困扰能源探索者数十年的难题。他们最新的绝招是：在强磁场的通量内点燃核聚变。

简单来说，核聚变能源旨在模仿太阳内部。通过将某些氢原子撞击在一起并使它们粘在一起，可以得到氦和大量能量。问题在于，真正让原子粘在一起需要非常高的温度——这反过来又要求核聚变操作者首先耗费大量能量。

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在你考虑建造一个可行的核聚变发电厂之前，你需要以某种方式创造出比你投入更多的能量。这个临界点——等离子体物理学家称之为点火的点——一直是核聚变探索的最长期的目标。

NIF 选择的容器是一个镀金的圆柱体，比人的指甲还小。科学家称这种圆柱体为空腔；它里面装有胡椒粒大小的氢燃料颗粒。

在聚变时，科学家向黑腔发射精细调谐的激光束（在 NIF 中，总共发射了 192 束激光），为黑腔提供足够的能量，以在黑腔内部激发出强烈的 X 射线。反过来，这些 X 射线会冲击小球，挤压并撞击小球，使其发生内爆，从而将氢原子聚变在一起。至少，这是希望所在。

NIF 利用这种方法在 2021 年底取得了惊人的成果：产生了投入能量的约 70%，远远超过了当时的记录。对于等离子体物理学家来说，这是一个警钟。“它给这个社区注入了新的热情，”德国耶拿亥姆霍兹研究所的物理学家 Matt Zepf 说。核聚变爱好者想知道：NIF 能再次做到这一点吗？

事实上，他们必须等待。后续的激光发射甚至无法接近最初的效果。部分问题在于，即使科学家拥有所有的知识和能力，他们也很难预测激光发射究竟会产生什么效果。

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“NIF 内爆目前表现出显著的性能波动，这是由靶材质量和激光质量的细微变化引起的，”NIF 物理学家约翰·穆迪 (John Moody) 表示。“靶材非常非常好，但微小的缺陷也会产生很大的影响。”

物理学家可以继续微调他们的激光或修补燃料小球。但也许还有第三种方法可以提高性能：将黑腔和其燃料小球浸泡在磁场中。

用其他激光器进行的测试，如纽约州罗切斯特的 OMEGA 和新墨西哥州桑迪亚的 Z-machine，表明这种方法可以取得成果。此外，NIF 自己的激光器的计算机模拟表明，磁场可以使 NIF 性能最佳的发射能量翻倍。

论文作者之一穆迪说：“预磁化燃料可以让我们获得良好的性能，即使目标或激光传输与我们想要的稍有偏差。”

因此 NIF 科学家决定亲自尝试一下。

他们必须先更换空腔。纯金的效果不好——将金属置于磁场中（比如他们的磁场）会在圆柱壁中产生电流，将其撕裂。因此，科学家们制作了一个新的圆柱体，由金和钽合金制成，钽是一种在某些电子产品中发现的稀有金属。

然后，科学家将氢气丸塞入新的黑腔中，打开磁场，并对准发射装置。

事实上，磁场确实产生了影响。与类似的无磁发射相比，能量增加了三倍。当然，这是一次低功率的试射，但结果给科学家们带来了一线希望。“这篇论文标志着一项重大成就，”泽普夫说，他不是该报告的作者。

不过，结果还处于早期阶段，“本质上就是先学会走路，再学会跑步，”穆迪警告道。接下来，NIF 科学家将尝试使用其他激光装置重复该实验。如果他们能做到这一点，他们就知道他们可以在各种镜头中添加磁场。

就像物理学这个迷雾重重的领域中的任何事物一样，仅凭这一点还不足以解决核聚变的所有问题。即使 NIF 确实实现了点火，随后还有第二阶段：能够产生比投入多得多的能量，物理学家称之为“增益”。Zepf 说，尤其是对于 NIF 尺寸有限的激光器来说，这是一个更加艰巨的任务。

尽管如此，核聚变领域的目光仍将注视着。Zepf 表示，NIF 的成果可以教会世界各地的类似设施如何最大限度地利用激光发射。

获得足够高的增益是更远未来的一个阶段的先决条件：将核聚变能量的热量真正转化为可行的发电厂设计。这对粒子物理学家来说又是一步——而核聚变社区已经在进行这个项目了。