一年前，人類首次實現核聚變反應的淨能量增益。這一年裏，NIF不斷改進，又成功實現三次點火，連破多個(ge) 紀錄！就在近日，項目的首席科學家，更是入選了Nature年度十大人物。

美國可控核聚變實驗，四次實現淨能量增益！

去年12月14日，勞倫(lun) 斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次實現可控核聚變點火成功，為(wei) 全人類摘下清潔能源「聖杯」——

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

2023年7月30日，實驗室首次實現3.88兆焦耳的輸出能量，創下曆史最高。

10月30日，實驗室再刷記錄——輸入能量首次達到2.2兆焦。同時，3.4兆焦耳的輸出能量也位列第二。

麵對一次又一次的成功「點火」，Nature也激動地發文表示——激光核聚變即將進入一個(ge) 全新的時代。

可以想象，當可控核聚變最終實現時，人類將有可能史上首次獲取海量無碳清潔能源，徹底改變未來的能源路線圖。

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

這意味著進入電氣時代後，一直困擾著人類的能源緊缺問題將從(cong) 此消失。人類甚至能在可控核聚變帶來的恒星級能源中，實現前所未有的科技突破。

四次成功點火，連續刷新記錄

不過，讓我們(men) 先回到現實。

讓激光器提供如此巨大能量的真正難點在於(yu) ，如何保護NIF珍貴的光學元件不會(hui) 受到碎片的損傷(shang) 。

NIF是世界上唯一一個(ge) 能在損傷(shang) 閾值以上運行的激光係統，而這在一定程度上就得益於(yu) 實驗室研發的光學回收循環係統。

強化光學元件

2023年6月，NIF完成了兩(liang) 項關(guan) 鍵的改進措施，這對實現2.2兆焦耳的輸入能量來說至關(guan) 重要。

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

這些改進將由碎片引起的損傷(shang) 率降低了10到100倍，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 光束線。由於(yu) 重力原因，較低光束線的光學元件接收到了來自靶室最多的碎片。

除此之外，其他的改進還包括，新的抗反射塗層、蒸汽六甲基二矽氨烷（HMDS）處理和光學回收循環容量的增加。以及新的「灰邊阻斷器」，用於(yu) 解決(jue) 一個(ge) 科學家們(men) 尚未完全確定的問題。

不隻是能量的增加

要維持NIF在科學領域取得的驚人突破，單靠增加能量是遠遠不夠的——

激光脈衝(chong) 的持續時間僅(jin) 為(wei) 幾十億(yi) 分之一秒，因此需要極高的精確度才能達到理想效果。

為(wei) 了達到這個(ge) 目標，團隊最近完成了高保真脈衝(chong) 整形（HiFiPS）係統的部署工作。

作為(wei) 一個(ge) 曆時多年的項目，HiFiPS能夠更精確、更準確的脈衝(chong) 整形，進而在內(nei) 爆中實現更好的功率平衡和對稱性控製。

此外，團隊還翻新了設施中的光纖，使其更能承受反複的中子暴露。這些光纖用於(yu) 精確測量傳(chuan) 遞給目標的激光脈衝(chong) 。

翻新後，信號強度直接提高了10到100倍，而研究人員也能夠繼續準確地「觀測」激光性能。

然而，從(cong) 目前的技術水平到實現向電網提供聚變能源，仍然有很長的路要走。

盡管NIF擁有目前世界上最大的激光器，但該係統效率極低，在每次點火中，有超過99%的能量在到達目標前就已損失殆盡。

而開發更高效的激光係統，便是DOE新啟動的慣性聚變研究計劃的一個(ge) 重要目標。

最近，該部門宣布將在四年內(nei) 投入4200萬(wan) 美元，建立三個(ge) 新的研究中心，來共同努力實現這一目標及其他科學進步。

其中，每個(ge) 中心都將包括國家實驗室、大學研究人員和行業(ye) 合作夥(huo) 伴。

首席科學家，入選Nature十大科學人物

而整個(ge) 核聚變計劃的核心人物之一，物理學家Annie Kritcher，也成功入選了Nature年度十大科學人物，

2022年，Annie Kritcher在國家點火裝置（NIF）上實現了一個(ge) 幾十年來全世界實驗室都難以實現的目標——將原子壓縮到極致，使得它們(men) 的核發生融合，並產(chan) 生出比反應本身消耗的還要多的能量。

但是，在達到這一實驗裏程碑（即點火）之後，團隊麵臨(lin) 著重複這一成就的壓力。

高風險的研究很少能一帆風順：團隊在6月份進行了首次複現，但結果卻差強人意。

好在，第三次嚐試取得了成功。

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射了2.05兆焦耳的能量。

由此引發的內(nei) 爆使同位素在融合成氦的過程中釋放出能量，並產(chan) 生了6倍於(yu) 太陽核心的溫度。

最終，這些創造出了破紀錄的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(ge) 實驗室可以實現輸出能量大於(yu) 消耗能量的聚變反應。

隨後，Kritcher和她的團隊又在10月份成功地進行了兩(liang) 次點火，從(cong) 而讓總點火次數達到了四次。

2004年，Kritcher在利弗莫爾進行暑期實習(xi) 時，就開始研究聚變能源。很快她就將目光投向了NIF——世界上為(wei) 數不多可以研究聚變反應的地方。

2012年，Kritcher正式加入NIF。

從(cong) 那時起，她就帶領團隊分析實驗數據，並使用計算機模型設計實驗——通過調整目標的大小和配置以及各種激光束的能量和時間等參數，實現並提高核聚變產(chan) 量。一旦她的團隊完成設計，實驗團隊就會(hui) 接手發射激光並收集數據。

過程中，Kritcher表現出了非常卓越的能力，而這也讓她在2016年成為(wei) 了NIF的首席設計師之一。

在接下來的幾年裏，Kritcher和她的團隊一直在對NIF的主要實驗項目進行數字運算和設計調整。在對目標進行各種改動的同時，團隊還利用各種改進措施提高了激光的總體(ti) 能量。結果就是，核聚變的實現，越來越頻繁了。

隨著「點火」的成功，Kritcher又開始了一係列新的實驗——通過向更厚的靶囊提供更多的激光能量來再次提高產(chan) 量。

而這也代表著，NIF向實現數十兆焦耳甚至更高產(chan) 能的目標，又邁進了一步。

可控核聚變，清潔能源的「聖杯」

簡單地說，「核聚變」就是兩(liang) 個(ge) 輕原子核結合成一個(ge) 較重的原子核，並釋放出巨大能量的過程。

兩(liang) 個(ge) 氫原子碰撞並聚合成氦原子，氦的質量比原來的氫原子略小。根據愛因斯坦標誌性的E=mc²質能方程，這個(ge) 質量差會(hui) 轉化為(wei) 能量爆發出來。

在太陽的核心，每秒都在發生6.2億(yi) 噸氫的核聚變。產(chan) 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釋放的能量大於(yu) 輸入的能量，並且讓過程可持續。

NIF點火原理

20世紀60年代，LLNL的一組先鋒科學家就作出假設：激光可以用來在實驗室環境中誘導核聚變。

隨後，在物理學家John Nuckolls的領導下，這一革命性的想法演變為(wei) 慣性約束核聚變。

為(wei) 了實現這一概念，LLNL建立了一係列越來越強大的激光係統，最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。

實驗中，激光器模仿了太陽中心的條件，將重氫同位素，氘和氚，融合成氦。

首先，若幹氫氣小球被放入胡椒粒大小的裝置中，然後使用強大的192束激光，加熱和壓縮氫燃料。

激光在進入環空器後，會(hui) 擊中內(nei) 壁並使其發出X射線，然後這些X射線可以將其加熱到1億(yi) 攝氏度——比太陽中心還熱，並將其壓縮到地球大氣壓的1000億(yi) 倍以上。

高能激光會(hui) 使小球表麵等離子體(ti) 化，其餘(yu) 中心材料受到牛頓第三定律驅使，最終會(hui) 向中央坍縮發生內(nei) 爆。

在內(nei) 爆時，隻要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發生鏈式反應——也就是「點火」，隨之便會(hui) 放出大量能量。

工程奇跡

而讓以上這些能夠成為(wei) 現實的國家點火裝置（NIF），在工程和技術方麵也是一個(ge) 了不起的成就。

材料科學家和激光物理學家與(yu) 工程師合作設計了一個(ge) 包含7,500個(ge) 大型光學元件、26,000個(ge) 小型光學元件和66,000多個(ge) 控製點的設施。

這些光學元件和其他組件包含在大約6200個(ge) 被稱為(wei) 「產(chan) 線可換單元」（LRUs）的複雜模塊化裝置中。在必要時可以快速更換，以確保設施的連續運行。

NIF激光脈衝(chong) 從(cong) 主振蕩器室的初始脈衝(chong) 形成到到達目標，全程一公裏，耗時4.5微秒。到達目標室中心的時間相差30皮秒，精度為(wei) 50微米。

要達到這樣的指向穩定性和目標的絕對精確度，在工程設計上是一個(ge) 極大的挑戰，需要光學支持係統具有堅如磐石的穩定性、部件的精確定位和對準以及嚴(yan) 格精確的計算機計時係統。

為(wei) 了應對這些挑戰，所有支撐NIF反射鏡和透鏡的結構在設計時都考慮到了極高的穩定性。

工程團隊針對包括水泵、電機和變壓器在內(nei) 的所有振動源，細致地計算了可能會(hui) 對激光組件（通常是激光反射鏡）產(chan) 生的影響。

通過細致的建模，振動（>1Hz）和漂移（<1Hz）的設計都得到了滿足。測試結果表明，原型光束線的性能可以達到或優(you) 於(yu) 50微米的要求。

此外，為(wei) 確保光束線組件不影響激光淨空，團隊還采用了精密測量技術，從(cong) 而建立嚴(yan) 格的測量網絡，並控製好所有光束線組件的物理位置。所有光束外殼、支持係統和靶室的位置都精確到四分之一毫米。

這些信息隨後被提供給設計團隊，他們(men) 設計的結構既要有足夠的剛度，又要有足夠的阻尼，使結構對地麵振動和建築設備預期振動的響應符合整體(ti) 穩定性要求。

確保所有192束激光在規定的30皮秒內(nei) 到達，是通過使用GPS衛星係統不斷更新內(nei) 部時鍾的精確定時係統實現的。集成的軟件和硬件不斷監測和更新定時，以保持精確度。

每個(ge) 機械接口的設計公差優(you) 於(yu) 300飛秒（萬(wan) 億(yi) 分之三秒），因此可以隨時更換LRU，以保持定時精度。此外，嚴(yan) 格控製的程序可保持每個(ge) LRU的係統定時。

雖然，我們(men) 現在還不能借助這個(ge) 裝置，將核聚變要真正應用於(yu) 發電。

但是在60年的尺度上，人類已經取得了重大的突破。

對於(yu) 未來，我們(men) 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