2月13日，美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL)宣布，實現(xiàn)了“核聚變點(diǎn)火”(fusion ignition)，創(chuàng)造了歷史。
報道指出，12 月 5 日，位于美國加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)首次在使用激光的聚變實驗中短暫地實現(xiàn)了凈能量增益--在激光向目標(biāo)輸送2.05 兆焦耳的能量后，該實驗產(chǎn)生了3.15 兆焦耳的能量輸出，短暫地實現(xiàn)了所謂的聚變點(diǎn)火。
這意味著它從聚變中產(chǎn)生的能量多于用于驅(qū)動它的激光能量。這是數(shù)十年來的一項重大科學(xué)突破，將為國防的進(jìn)步和清潔能源的未來鋪平道路。
LLNL國家點(diǎn)火設(shè)施的目標(biāo)室，在2022年12月5日，192束激光束向一個微小的燃料球傳遞了超過200萬焦耳的紫外線能量，以產(chǎn)生聚變點(diǎn)火。
“2022 年 12 月 5 日星期一是科學(xué)界歷史性的一天，這要?dú)w功于利弗莫爾實驗室和國家點(diǎn)火設(shè)施的不可思議的人。在取得這一突破的過程中，他們開啟了NNSA計劃的新篇章?！癗NSA管理員Jill Hruby說?！?/p>
“我們對聚變的理論理解已經(jīng)超過一個世紀(jì)了，但從知道到做的過程可能是漫長而艱巨的。今天的里程碑表明我們可以用毅力做些什么。“總統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)首席顧問兼白宮科技政策辦公室主任阿拉蒂·普拉巴卡爾博士說。
聚變是兩個輕原子核結(jié)合形成一個較重的原子核，釋放大量能量的過程。在1960年代，LLNL的一組先驅(qū)科學(xué)家假設(shè)激光可用于在實驗室環(huán)境中誘導(dǎo)聚變。在物理學(xué)家John Nuckolls的帶領(lǐng)下，他后來于1988年至1994年擔(dān)任LLNL主任，這個革命性的想法成為慣性約束聚變，開始了60多年的激光、光學(xué)、診斷、目標(biāo)制造、計算機(jī)建模和模擬以及實驗設(shè)計的研發(fā)。
為了追求這一概念，LLNL建造了一系列越來越強(qiáng)大的激光系統(tǒng)，從而創(chuàng)建了世界上最大，最有能量的激光系統(tǒng)NIF。NIF位于加利福尼亞州利弗莫爾的LLNL，其大小相當(dāng)于一個體育場，使用強(qiáng)大的激光束來產(chǎn)生溫度和壓力，就像恒星和巨行星的核心以及爆炸的核武器內(nèi)部一樣。
為了產(chǎn)生聚變點(diǎn)火，國家點(diǎn)火設(shè)施的激光能量在霍爾raum內(nèi)轉(zhuǎn)換為X射線，然后壓縮燃料艙直到它內(nèi)爆，產(chǎn)生高溫，高壓等離子體。
和其他國家近期突破相比如何？
在 NIF 取得這一成就之前，過去 18 個月里，其他由公共資金資助的聚變實驗室也宣布了重大成果，只是它們的研究目標(biāo)略有不同。
據(jù)新華社報道，2021 年 5 月 28 日凌晨，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置 (EAST) 創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的 1.2 億攝氏度 101 秒和 1.6 億攝氏度 20 秒等離子體運(yùn)行。這將此前創(chuàng)造的 1 億攝氏度 20 秒原紀(jì)錄延長了 5 倍，意味著向核聚變能源應(yīng)用邁出重要一步。EAST 也被稱為中國“人造太陽”，是中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所自主研制的磁約束核聚變實驗裝置。
去年 12 月，位于牛津的世界上最大、最強(qiáng)大的托卡馬克核反應(yīng)裝置“歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)爐”(JET) 的研究人員在持續(xù) 5 秒的聚變反應(yīng)中產(chǎn)生了創(chuàng)紀(jì)錄的 59 兆焦耳能量。這足以燒開大約 60 個水壺，比 JET 在 1997 年創(chuàng)造的 22 兆焦耳的能量輸出紀(jì)錄增加了一倍多。
專家指出，這兩種核聚變反應(yīng)都沒有像 NIF 那樣實現(xiàn)能量增益，但是它們在實驗中也都沒有優(yōu)先考慮實現(xiàn)能量增益。
可以看出與現(xiàn)在國際上主打的托卡馬克磁約束技術(shù)不同，美國的NIF 采用了一種被稱為“慣性約束”的不同技術(shù)。它使用 192 束激光燃燒一個微型燃料膠囊 (fuel capsule)。激光將燃料加熱到超過 300 萬攝氏度，導(dǎo)致目標(biāo)膠囊的表面燃著并產(chǎn)生爆炸，造成了 NIF 描述的“類似火箭”的內(nèi)爆。這會壓縮并進(jìn)一步加熱燃料，直到氘和氚中的氫原子融合，釋放出氦和能量。