憑借 192 束激光以及比太陽中心高三倍以上的溫度，科學家們在通往幾乎無污染聚變能源的漫長道路上（至少在幾分之一秒內）達到了一個關鍵的里程碑。
今日，美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置（National Ignition Facility）研究者的一項研究登上了最新一期的《自然》雜志的封面。研究者成功地激發了一種持續很短時間的聚變反應，這是一項重大的壯舉，因為聚變需要非常高的溫度和壓力，很容易熄滅。
這項研究的最終目標是像太陽產生熱量一樣實現發電，通過壓碎氫原子并使它們彼此靠近，然后生成氦以釋放大量的能量。但是，自理論提出以來，人們和這個目標的距離一直是「需要數年時間」。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-w
一支有 100 多人參與的團隊在論文《Burning plasma achieved in inertial fusion》中發表了四項實驗的結果，并展示了他們取得的成就——燃燒等離子體（ burning plasma）。有了這些結果以及 2021 年 8 月發布的跟蹤實驗初步結果，研究者表示他們即將迎來一個更大的進展——點火（ignition）。到那時，燃料可以繼續自己「燃燒」，也將產生比激發最初反應所需能量更多的能量。
論文共同一作、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實驗物理學家 Alex Zylstra 表示，「我們離實現下一步目標非常近了。」
核聚變（nuclear fusion）將水分子中的兩種氫（氘和氚，氫的兩種同位素或形式）壓在一起。當它們融合時，沒有參與此項研究的密歇根大學實驗等離子體物理學家 Carolyn Kuranz 表示，「少量（毫克）的燃料會產生大量的能量，并且非常『干凈』，不會生成放射性廢棄物。這基本上是無限的清潔能源，并可以部署在任何地方。」
幾十年來，世界各地的研究人員一直致力于這項研究，嘗試了不同的方法。其中，35 個國家在法國南部合作開展了一個名為國際熱核試驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）的項目，該項目使用巨大的磁性材料來控制過熱的等離子體。該項目預計將于 2026 年運營。
同樣沒有參與這項研究的普林斯頓等離子體物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory）主任 Steven Cowley 介紹道，美國和英國開展的早期實驗成功地融合了原子，但沒有實現自發熱。
位于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的 NIF 目標灣（Target Bay）。該系統使用 192 束激光束匯聚在巨大球體的中心，使一個微小的氫燃料芯塊（hydrogen fuel pellet）內爆。圖源：Lawrence Livermore National Laboratory
但現在不能指望核聚變實用化。共同一作、倫斯利弗莫爾國家實驗室首席科學家 Omar Hurricane 表示，「在科學上，這些結果令我們非常興奮。但我們離實現有效能量（useful energy）還有很長的路要走。也許需要幾十年。」
美國國家點火裝置（NIF）。
獲得燃燒等離子體是實現自持（self-sustaining）聚變能量的關鍵一步。燃燒等離子體是一種等離子體，其中聚變反應本身是等離子體中加熱的主要來源，對于維持和傳播燃燒是必需的，可以實現高能量增益。
經過數十年的聚變研究，研究者在實驗室中實現了燃燒等離子體狀態，其中一個激光裝置可以在燃料膠囊中提供高達 1.9 兆焦耳的脈沖能量，峰值功率高達 500 太瓦。他們使用激光在輻射腔中產生 X 射線，然后通過 X 射線燒蝕壓力間接驅動燃料膠囊，從而使得內爆過程通過機械功壓縮和加熱燃料。
這些實驗表明，聚變自熱（fusion self-heating）超過了注入內爆的機械功，滿足了幾項燃燒等離子體指標。此外，研究者描述了一個似乎已經跨越靜態自熱邊界的實驗子集，其中聚變加熱超過了輻射和傳導的能量損失。這些結果為在實驗室中研究以 α 粒子為主的等離子體和燃燒等離子體物理學提供了機會。
評估燃燒等離子體的簡單指標。
此前，研究者在實驗室中已經花了好幾年的時間，而且很多嘗試都失敗了。他們做出了調整：將燃料膠囊（ fuel capsule）增大了 10%。
燃料膠囊裝在一個微小的黃金金屬柱體中，研究者將 192 束激光對準該柱體。研究者將它加熱到 1 億度，在燃料膠囊內部產生的壓力比太陽中心內部的壓力高出 50% 左右。Alex Zylstra 表示，這些實驗創造了持續了僅萬億分之一的燃燒等離子體，但這足以被認為是成功的。
用于融合的間接驅動慣性約束方法示意圖。
總的來說，該研究中做的四項實驗（分別做于 2020 年 11 月和 2021 年 2 月）產生了 0.17 兆焦耳（megajoule）的能量，遠遠超出了以往的嘗試，但仍然不到啟動該過程所用能量的十分之一。作為對比，一兆焦耳的能量大約可以將一加侖（約 3.8 升）的水加熱到 100 華氏度（約 37.8 攝氏度）。
與接近點火相關的參數空間。
根據之前的信息，2021 年晚些時候所做實驗的初步結果仍在接受其他科學家的審查，當時研究者能量輸出達到了 1.3 兆焦耳，并持續了 100 萬億分之一秒。但即便如此，這個數值也低于達到收支平衡所需的 1.9 兆焦耳。
參考鏈接：
https://phys.org/news/2022-01-hot-lab-milestone-road-fusion.html
https://www.reuters.com/business/energy/researchers-achieve-milestone-path-toward-nuclear-fusion-energy-2022-01-26/
本文來自微信公眾號“機器之心”（ID:almosthuman2014），編輯：杜偉、澤南，36氪經授權發布。
