一年前，人類首次實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的凈能量增益。這一年里，NIF不斷改進(jìn)，又成功實(shí)現(xiàn)三次點(diǎn)火，連破多個(gè)紀(jì)錄！就在近日，項(xiàng)目的首席科學(xué)家，更是入選了Nature年度十大人物。

美國(guó)可控核聚變實(shí)驗(yàn)，四次實(shí)現(xiàn)凈能量增益！

去年12月14日，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）首次實(shí)現(xiàn)可控核聚變點(diǎn)火成功，為全人類摘下清潔能源「圣杯」——

在向目標(biāo)提供2.05兆焦耳（MJ）的能量之后，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出，能量增益約為1.5。

2023年7月30日，實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)3.88兆焦耳的輸出能量，創(chuàng)下歷史最高。

10月30日，實(shí)驗(yàn)室再刷記錄——輸入能量首次達(dá)到2.2兆焦。同時(shí)，3.4兆焦耳的輸出能量也位列第二。

面對(duì)一次又一次的成功「點(diǎn)火」，Nature也激動(dòng)地發(fā)文表示——激光核聚變即將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

可以想象，當(dāng)可控核聚變最終實(shí)現(xiàn)時(shí)，人類將有可能史上首次獲取海量無(wú)碳清潔能源，徹底改變未來(lái)的能源路線圖。

也就是說(shuō)，到了那時(shí)，就不再有煤和石油燃燒產(chǎn)生的溫室氣體，不再有危險(xiǎn)、長(zhǎng)效的放射性廢物——人類將得到真正意義上的「清潔能源」。

這意味著進(jìn)入電氣時(shí)代后，一直困擾著人類的能源緊缺問(wèn)題將從此消失。人類甚至能在可控核聚變帶來(lái)的恒星級(jí)能源中，實(shí)現(xiàn)前所未有的科技突破。

四次成功點(diǎn)火，連續(xù)刷新記錄

不過(guò)，讓我們先回到現(xiàn)實(shí)。

讓激光器提供如此巨大能量的真正難點(diǎn)在于，如何保護(hù)NIF珍貴的光學(xué)元件不會(huì)受到碎片的損傷。

NIF是世界上唯一一個(gè)能在損傷閾值以上運(yùn)行的激光系統(tǒng)，而這在一定程度上就得益于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的光學(xué)回收循環(huán)系統(tǒng)。

強(qiáng)化光學(xué)元件

2023年6月，NIF完成了兩項(xiàng)關(guān)鍵的改進(jìn)措施，這對(duì)實(shí)現(xiàn)2.2兆焦耳的輸入能量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

包括在NIF三分之二的光束線上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，以及在32條下半球光束線上安裝金屬屏蔽。

這些改進(jìn)將由碎片引起的損傷率降低了10到100倍，具體取決于光束線。由于重力原因，較低光束線的光學(xué)元件接收到了來(lái)自靶室最多的碎片。

除此之外，其他的改進(jìn)還包括，新的抗反射涂層、蒸汽六甲基二硅氨烷（HMDS）處理和光學(xué)回收循環(huán)容量的增加。以及新的「灰邊阻斷器」，用于解決一個(gè)科學(xué)家們尚未完全確定的問(wèn)題。

不只是能量的增加

要維持NIF在科學(xué)領(lǐng)域取得的驚人突破，單靠增加能量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的——

激光脈沖的持續(xù)時(shí)間僅為幾十億分之一秒，因此需要極高的精確度才能達(dá)到理想效果。

為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)最近完成了高保真脈沖整形（HiFiPS）系統(tǒng)的部署工作。

作為一個(gè)歷時(shí)多年的項(xiàng)目，HiFiPS能夠更精確、更準(zhǔn)確的脈沖整形，進(jìn)而在內(nèi)爆中實(shí)現(xiàn)更好的功率平衡和對(duì)稱性控制。

此外，團(tuán)隊(duì)還翻新了設(shè)施中的光纖，使其更能承受反復(fù)的中子暴露。這些光纖用于精確測(cè)量傳遞給目標(biāo)的激光脈沖。

翻新后，信號(hào)強(qiáng)度直接提高了10到100倍，而研究人員也能夠繼續(xù)準(zhǔn)確地「觀測(cè)」激光性能。

然而，從目前的技術(shù)水平到實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)提供聚變能源，仍然有很長(zhǎng)的路要走。

盡管NIF擁有目前世界上最大的激光器，但該系統(tǒng)效率極低，在每次點(diǎn)火中，有超過(guò)99%的能量在到達(dá)目標(biāo)前就已損失殆盡。

而開發(fā)更高效的激光系統(tǒng)，便是DOE新啟動(dòng)的慣性聚變研究計(jì)劃的一個(gè)重要目標(biāo)。

最近，該部門宣布將在四年內(nèi)投入4200萬(wàn)美元，建立三個(gè)新的研究中心，來(lái)共同努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)及其他科學(xué)進(jìn)步。

其中，每個(gè)中心都將包括國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)研究人員和行業(yè)合作伙伴。

首席科學(xué)家，入選Nature十大科學(xué)人物

而整個(gè)核聚變計(jì)劃的核心人物之一，物理學(xué)家Annie Kritcher，也成功入選了Nature年度十大科學(xué)人物，

2022年，Annie Kritcher在國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)幾十年來(lái)全世界實(shí)驗(yàn)室都難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)——將原子壓縮到極致，使得它們的核發(fā)生融合，并產(chǎn)生出比反應(yīng)本身消耗的還要多的能量。

但是，在達(dá)到這一實(shí)驗(yàn)里程碑（即點(diǎn)火）之后，團(tuán)隊(duì)面臨著重復(fù)這一成就的壓力。

高風(fēng)險(xiǎn)的研究很少能一帆風(fēng)順：團(tuán)隊(duì)在6月份進(jìn)行了首次復(fù)現(xiàn)，但結(jié)果卻差強(qiáng)人意。

好在，第三次嘗試取得了成功。

7月30日，NIF的192束激光向懸浮在金圓筒中冷凍的氫同位素氘和氚小球發(fā)射了2.05兆焦耳的能量。

由此引發(fā)的內(nèi)爆使同位素在融合成氦的過(guò)程中釋放出能量，并產(chǎn)生了6倍于太陽(yáng)核心的溫度。

最終，這些創(chuàng)造出了破紀(jì)錄的3.88兆焦耳聚變能。

放眼世界，在NIF取得這一成就之前，還沒有哪個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)輸出能量大于消耗能量的聚變反應(yīng)。

隨后，Kritcher和她的團(tuán)隊(duì)又在10月份成功地進(jìn)行了兩次點(diǎn)火，從而讓總點(diǎn)火次數(shù)達(dá)到了四次。

2004年，Kritcher在利弗莫爾進(jìn)行暑期實(shí)習(xí)時(shí)，就開始研究聚變能源。很快她就將目光投向了NIF——世界上為數(shù)不多可以研究聚變反應(yīng)的地方。

2012年，Kritcher正式加入NIF。

從那時(shí)起，她就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——通過(guò)調(diào)整目標(biāo)的大小和配置以及各種激光束的能量和時(shí)間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)并提高核聚變產(chǎn)量。一旦她的團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)就會(huì)接手發(fā)射激光并收集數(shù)據(jù)。

過(guò)程中，Kritcher表現(xiàn)出了非常卓越的能力，而這也讓她在2016年成為了NIF的首席設(shè)計(jì)師之一。

在接下來(lái)的幾年里，Kritcher和她的團(tuán)隊(duì)一直在對(duì)NIF的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算和設(shè)計(jì)調(diào)整。在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行各種改動(dòng)的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還利用各種改進(jìn)措施提高了激光的總體能量。結(jié)果就是，核聚變的實(shí)現(xiàn)，越來(lái)越頻繁了。

隨著「點(diǎn)火」的成功，Kritcher又開始了一系列新的實(shí)驗(yàn)——通過(guò)向更厚的靶囊提供更多的激光能量來(lái)再次提高產(chǎn)量。

而這也代表著，NIF向?qū)崿F(xiàn)數(shù)十兆焦耳甚至更高產(chǎn)能的目標(biāo)，又邁進(jìn)了一步。

可控核聚變，清潔能源的「圣杯」

簡(jiǎn)單地說(shuō)，「核聚變」就是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，并釋放出巨大能量的過(guò)程。

兩個(gè)氫原子碰撞并聚合成氦原子，氦的質(zhì)量比原來(lái)的氫原子略小。根據(jù)愛因斯坦標(biāo)志性的E=mc2質(zhì)能方程，這個(gè)質(zhì)量差會(huì)轉(zhuǎn)化為能量爆發(fā)出來(lái)。

在太陽(yáng)的核心，每秒都在發(fā)生6.2億噸氫的核聚變。產(chǎn)生的能量，是地球上一切生命的源泉。

但利用核聚變的一大難題之一，就是如何讓核聚變反應(yīng)釋放的能量大于輸入的能量，并且讓過(guò)程可持續(xù)。

NIF點(diǎn)火原理

20世紀(jì)60年代，LLNL的一組先鋒科學(xué)家就作出假設(shè)：激光可以用來(lái)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中誘導(dǎo)核聚變。

隨后，在物理學(xué)家John Nuckolls的領(lǐng)導(dǎo)下，這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。

為了實(shí)現(xiàn)這一概念，LLNL建立了一系列越來(lái)越強(qiáng)大的激光系統(tǒng)，最終建立了世界上最大、能量最強(qiáng)的NIF。

實(shí)驗(yàn)中，激光器模仿了太陽(yáng)中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若干氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然后使用強(qiáng)大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

激光在進(jìn)入環(huán)空器后，會(huì)擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度——比太陽(yáng)中心還熱，并將其壓縮到地球大氣壓的1000億倍以上。

高能激光會(huì)使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會(huì)向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。

在內(nèi)爆時(shí)，只要對(duì)燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)——也就是「點(diǎn)火」，隨之便會(huì)放出大量能量。

工程奇跡

而讓以上這些能夠成為現(xiàn)實(shí)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），在工程和技術(shù)方面也是一個(gè)了不起的成就。

材料科學(xué)家和激光物理學(xué)家與工程師合作設(shè)計(jì)了一個(gè)包含7,500個(gè)大型光學(xué)元件、26,000個(gè)小型光學(xué)元件和66,000多個(gè)控制點(diǎn)的設(shè)施。

這些光學(xué)元件和其他組件包含在大約6200個(gè)被稱為「產(chǎn)線可換單元」（LRUs）的復(fù)雜模塊化裝置中。在必要時(shí)可以快速更換，以確保設(shè)施的連續(xù)運(yùn)行。

NIF激光脈沖從主振蕩器室的初始脈沖形成到到達(dá)目標(biāo)，全程一公里，耗時(shí)4.5微秒。到達(dá)目標(biāo)室中心的時(shí)間相差30皮秒，精度為50微米。

要達(dá)到這樣的指向穩(wěn)定性和目標(biāo)的絕對(duì)精確度，在工程設(shè)計(jì)上是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，需要光學(xué)支持系統(tǒng)具有堅(jiān)如磐石的穩(wěn)定性、部件的精確定位和對(duì)準(zhǔn)以及嚴(yán)格精確的計(jì)算機(jī)計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，所有支撐NIF反射鏡和透鏡的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)都考慮到了極高的穩(wěn)定性。

工程團(tuán)隊(duì)針對(duì)包括水泵、電機(jī)和變壓器在內(nèi)的所有振動(dòng)源，細(xì)致地計(jì)算了可能會(huì)對(duì)激光組件（通常是激光反射鏡）產(chǎn)生的影響。

通過(guò)細(xì)致的建模，振動(dòng)（>1Hz）和漂移（<1Hz）的設(shè)計(jì)都得到了滿足。測(cè)試結(jié)果表明，原型光束線的性能可以達(dá)到或優(yōu)于50微米的要求。

此外，為確保光束線組件不影響激光凈空，團(tuán)隊(duì)還采用了精密測(cè)量技術(shù)，從而建立嚴(yán)格的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，并控制好所有光束線組件的物理位置。所有光束外殼、支持系統(tǒng)和靶室的位置都精確到四分之一毫米。

這些信息隨后被提供給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，他們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既要有足夠的剛度，又要有足夠的阻尼，使結(jié)構(gòu)對(duì)地面振動(dòng)和建筑設(shè)備預(yù)期振動(dòng)的響應(yīng)符合整體穩(wěn)定性要求。

確保所有192束激光在規(guī)定的30皮秒內(nèi)到達(dá)，是通過(guò)使用GPS衛(wèi)星系統(tǒng)不斷更新內(nèi)部時(shí)鐘的精確定時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。集成的軟件和硬件不斷監(jiān)測(cè)和更新定時(shí)，以保持精確度。

每個(gè)機(jī)械接口的設(shè)計(jì)公差優(yōu)于300飛秒（萬(wàn)億分之三秒），因此可以隨時(shí)更換LRU，以保持定時(shí)精度。此外，嚴(yán)格控制的程序可保持每個(gè)LRU的系統(tǒng)定時(shí)。

雖然，我們現(xiàn)在還不能借助這個(gè)裝置，將核聚變要真正應(yīng)用于發(fā)電。

但是在60年的尺度上，人類已經(jīng)取得了重大的突破。

對(duì)于未來(lái)，我們或許也可以抱有更多的想象力。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-04045-8