达到点火对核聚变的未来意味的

核聚变长期以来一直被视为能量的未来。随国家点火设施现在超过破平衡点我们离我们的最终目标有多近呢？

STARTS WITH A BANG — DECEMBER 14, 2022

Ethan Siegel

在国家点火机构，全向高功率激光压缩和加热一颗材料颗粒到足够来启动核聚变的条件。国家点火机构能产生甚至比太阳中心更高的温度，在2022年底，打破平衡点首次通过。(Credit: Damien Jemison/LLNL)

关键要点

在核核聚变的历史上，第一次已经取得了点火：在那里从核聚变反应释放的能量超过了输入来触发它们的能量。

取得点火或通过破平衡点是核聚变研究的关键目标之一，其最终目标是取得商业规模的核聚变电力。

然而，取得这一目标只是朝着真正的梦想迈的又一步：用清洁、可持续的能量为世界提供动力。这里是我们都应该知道的。

几十年来，按能量 “下一件大事”一直总是核聚变。按发电的巨大潜力没有其他能源能是像核聚变一样清洁、低碳、低风险、低费物、可持续和可控。与石油、煤炭、天然气或其他化石燃料来源不一样，核聚变不会产生任何温室气体如二氧化碳作为废物。与太阳能、风能或水力发电不一样，它不依赖于所需的自然资源的可利用性。与核裂变不一样，它没有一个熔毁的风险，没有产生的长期放射性废物。

与所有其他替代方案相比，核聚变清楚的是地球上发电的最佳解决方案。然而，最大的问题一直是这个：尽管核聚变反应已经被多种手段取得，但从来没有一个可持续的聚变反应取得了所谓的要么：

点火，

净能量增益，

或者打破平衡点，

其中在一个聚变反应中产生的能量比来点燃它的能量更多。历史上第一次这一里程碑现在已经被取得。国家点火设施（NIF）已经取得了点火，一个朝向商业核聚变迈出的巨大一步。但这并不意味着我们已经解决了我们的能量需求；远非如此。这里是它确实是一项了不起的成就但我们还有很长的路要走的。

质子-质子链中最直接、能量最低的一种，它从包括太阳在内的恒星的初始氢燃料产生氦-4。请注意只有氘和一个质子的聚变从氢产生氦；所有其他反应要么产生氢，要么从其他氦的同位素制造氦。氘和氦-3的聚变或（更罕见的是）氘与氘或氦-3与氦-3的聚变也能释放能量并产生氦-4，就像在惯性约束聚变过程中发生的那样。(Credit: Sarang/Wikimedia Commons)

核聚变的科学是相对简单的：你拿来轻原子核，你让它们受到高温和高密度的条件，触发核聚变反应，将这些轻原子核聚变成更重的原子核，释放然后你能利用发电目的的能量。历史上，这主要经由两种手段之一一直是可取得的：

要么你创造一个磁约束的低密度等离子体，使这些聚变反应随着时间发生，

要么你创造一个惯性约束的高密度等离子体，在一个巨大的爆发中触发这些聚变反应。

这些是用一个两者结合的方法，但这些是被著名机构正在研究的两种主要方法。第一种方法已经被ITER等托卡马克式反应堆利用来取得核聚变，而第二种方法已经被全向激光发射来触发微小的、富轻元素的颗粒的核聚变如国家点火设施（NIF）利用。在过去30年左右的时间里，“最接近打破平衡的”的记录已经在这两种方法之间来回徘徊，但在2021年，国家点火设施的惯性约束聚变向前激增了，通过一些度量取得了接近破平衡的能量输出。

 

一个在2017年它的维护期间正工作的托卡马克聚变室内部。只要等离子体在这样一台设备内部能被磁上约束和控制聚变功率能被产生，但长期保持等离子体约束是一项极其困难的任务。对磁约束聚变破平衡点一直还没有被取得。(Credit: Rswilcox/Wikimedia Commons)

现在，一个进一步的改进已经带惯性约束聚变真的领先它的主要竞争对手：从仅交给目标的2.05兆焦耳的激光能量释放3.15兆焦耳的能量。由于3.15大于2.05，这意味着点火、破平衡点或净能量增益------取决于你所喜欢的术语------最终已经取得了。这是一个巨大的里程碑，被2018年诺贝尔物理学奖背后的研究能够的所有事情，该奖项被授予激光物理学中的进展。

激光的工作的方式是发生在物质中两个不同电子能级之间的特定量子跃迁被反复的刺激，造成一次又一次地发射精密的相同频率的光。你能通过更好的准直光束和使用更好的放大器增加你的激光的强度，这允许你创造一个更高能、更强大的激光。

但你也能通过不连续的发射激光，而是通过控制你的激光的功率和脉冲频率制造一个更强的激光。不是连续的发射，而是你能“保存起”那个激光并在一次单一的短脉冲中发射所有的能量：要么一下子要么以一系列高频脉冲

泽塔瓦激光器，达到一个10²W/cm²的强度，应该足以从量子真空本身创造真正的电子/正电子对。这种已经使一个激光的功率上升如此之快的技术是啁啾脉冲放大，这正是杰拉德·穆鲁和唐娜·斯特里克兰在1985年开发的，为他们赢得了2018年诺贝尔物理学奖的份额。(Credit: Gerard A. Mourou, Toshiki Tajima, and Sergei V. Bulanov)

2018年的两位诺贝尔奖得主------杰拉德·穆鲁和唐娜·斯特里克兰德------用他们的诺贝尔获奖研究完全的解决了这个问题。1985年，他们发表了一篇不仅详细介绍了怎样以一种重复的方式创造一个超短、高强度的激光脉冲，而且能够在不伤害或使放大材料超载的情况下这样做的文章。四步过程如下：

首先，他们创造了这些相对标准的激光脉冲。

然后，他们及时拉伸这些脉冲，这降低它们的峰值功率使它们的破坏性降低。

接下来，他们放大了这个时间延长的、功率降低的脉冲，用于放大的材料现在可以存活。

最后，他们及时压缩了现在被放大的脉冲。

及时的脉冲的缩短意味着更多强度更大的光变得在同一空间中被包在一起，导致一个脉冲强度中的大幅增加。这种现在被称为啁啾脉冲放大的技术被广泛应用于各种应用中，包括每年进行的数百万例眼科矫正手术。但它也有另一个应用：用于来创造取得惯性约束聚变条件所需的激光器。

从一个低功率的激光脉冲开始，你能拉伸它，降低它的功率，然后放大它，不破坏你的放大器，然后再次压缩它，创造一个比另外是可能的的更高的功率，周期更短的脉冲。就激光器而言，我们现在正处于阿托秒（10^-18 s）物理学的纪元。(Credit: Johan Jarnestad/Royal Swedish Academy of Sciences)

惯性约束聚变在国家点火设施的工作方式是真的是核聚变“蛮力”方法成功的一个例子。通过拿来一个可聚变物质的颗粒------通常是氢的轻同位素（如氘和氚）和/或氦（如氦-3）的一个混合物-----同时用高功率激光从各个方向射击它们，颗粒内原子核的温度和密度巨大的增加。

在实践中，这个在国家点火设施的破记录性的射击利用了192个独立的、高功率的激光同时发射在这个目标颗粒上。这些脉冲彼此在一个一秒的百万分之一秒分数内到达，在那里它们将这个颗粒加热到超过1亿度的温度：于太阳中心的密度可比较并超过太阳中心发现的能量。随能量从颗粒的外部朝向它的核心传播，聚变反应被触发，从较轻的元素（如氘和氚即氢-2和氢-3）创造更重的元素（如氦-4）并在此过程中释放能量。

即便整个反应的时间尺度能被以纳秒测量，但来自激光的爆炸加上颗粒周围的质量足以对（经由惯性）颗粒的核简单的约束等离子体，使大量原子核在这段时间内聚变。

在追求核聚变能力的开发中为什么这最新一步真的是一个令人兴奋的、甚至是一个改变游戏规则的有几个原因。自20世纪50年代以来，我们已经知道怎样来触发核聚变反应并来产生比我们输入的更多的能量：通过一个热核点爆。然而，这种反应类型是不受控制的：它不能被用来创造少量的能量能被用来产生可用的电力。它只是一下子爆炸，造成一个巨大的和高度挥发的能量释放。

然而，那些早期核试验的结果------包括地下试验------如果我们能够围绕一个可聚变物质颗粒相等的注入5兆焦耳的激光能量，我们就可以很容易产生破平衡点（或大于破平衡点）能量输出。在国家点火设施，早期的惯性约束聚变尝试只有过1.6兆焦耳，后来有1.8兆焦耳的激光能量入射到目标上。这些尝试远没有达到破平衡点：数百倍甚至更多。许多“射击”都没有完全的产生聚变，因为甚至颗粒的球性或激光打击的时间上的不完美让尝试一个失败。

作为一个国家点火设施的能力和真正点火所需的演示能量之间的脱节，国家点火设施的研究人员多年来游说国会寻求额外的资金，希望建立一个他们知道会工作的：一个达到5兆焦耳入射能量的系统。但这样一个努力所需要的资金水平被认为是禁止的，如此国家点火设施的科学家们不得不变得非常聪明。

一名技术人员，穿着西装以避免污染在国家点火设施的主腔室内的材料在实验设备上工作。在几十年的进步后“破平衡点”聚变的成就代表一个巨大的科学努力的顶峰。(Credit: National Ignition Facility/University of Chicago)

他们所依赖的主要工具之一是核聚变反应将怎样进展的详细模拟。在早期，甚至在近年核聚变社区中有一直有许多正在发声的成员担心了这些模拟是不可靠的，而进行地下核试验是来收集所需物理数据的唯一可靠方法。但这些地下测试创造放射性沉降物，正如你所预料的那样每当核反应已经在有重元素存在的情况下发生时的一样。生产寿命长的放射性物质是永远不愿望的，这不仅是地下核试验的一个缺点，也是磁约束聚变方法的。

但惯性约束聚变，至少当在一个氢基燃料的颗粒上短时间内进行时毕竟没有这个问题。不会产生长期的重放射性元素：某些模拟和真实世界测试都一致的事情。模拟已经表明或许只要用少至2兆焦耳的激光能量入射在一个有正确参数的目标上一个大于破平衡点的聚变反应可以被取得。许多人对这种可能性和一般的模拟都持怀疑态度。毕竟，当到任何物理过程时只有从现实世界的现象中收集到的数据才能引导这条道路。

这张图片显示在加州利弗莫尔的国家点火设施目标湾。该系统使用192束激光束聚焦在这个巨大球体的中心来制造出一个微小的氢燃料颗粒内爆。这是第一次，一系列入射能量总计为2.1兆焦耳的光束经由核聚变过程释放出比输入的更多的能量（3.15兆焦耳）。(Credit: Damien Jemison/Lawrence Livermore National Laboratory)

这就是为什么最近的国家点火设施成就真的令人来惊叹的。从事核聚变研究的科学家中有一种说法：能量冲走所有的罪恶。在5兆焦耳的激光能量入射在颗粒上，一个大的聚变反应聚焦激光器的光学透镜需要是完全无杂质和无尘的。

来自近200个激光器的脉冲需要在一秒的百万分之一内同时到达目标。

目标需要是完美的球形的，没有认可的不完美。

等等。就在大约两年前，在国家点火设施进行了一次非凡的激光“射击”，激光能量首次提高到2兆焦耳。在所有这些条件都满足的情况下它产生了一些约1.8兆焦耳的能量（接近达到破平衡点），一个支持这些模拟预测的的强有力的证据。但这项最新的成就，其中能量只提高了一点点（到2.1兆焦耳），产生了一个3.15兆焦耳的能量，即便他们用了一个不是那么完美的球形和更厚的目标颗粒。他们能够证实预测和他们模拟的强健性，同时证明了能量真的冲走不完美的罪恶的概念背后的真相。

在一个激光击中一个目标后产生的热等离子体的不同温度的模拟显示目标的不均匀加热和能量在时间中在一次快照上的传播。模拟虽然往往有问题，但已经被国家点火设施的最新结果完全证明。(Credit: Yingchao Lu, University of Rochester)

60多年来，朝向商业规模的电力生产核聚变已经被非常严肃的研究，但这个实验标志着历史上第一次已经通过了高顶的破平衡点。

然而，这并不意味着气候/能源危机现在已经被解决。恰恰相反，虽然这当然是值得庆祝的一步，但这只是朝着最终目标迈出的又一次进步。需要清楚的是，为商业规模的核聚变能力变得可行的，这里是必须都取得的步骤。

核聚变反应必须被取得。

从这些反应产生的能量必须比输入来触发这些反应的能量更多。

产生的能量必须被提取，转化为一种能量，然后能被储存或传递能量：换句话说，充分利用。

能量必须要么稳定的要么重复的产生，这样它能按需供电，就像我们对任何其他类型的发电厂所要求的那样。

在反应过程中消耗和使用/损坏的材料和设备必须在不妨碍反应复发的时间尺度上更换和/或修复。

在第一步上粘了半个多世纪之后，最近的这个突破终于让我们到第二步：我们叫“点火”的成就。这是第一次，下一步不会受到科学质疑；它们只是一件带这项现已被证实的技术到生命所需的工程细节问题。

今天，大部分分配的电力都通过煤炭、石油、天然气、太阳能、风能或水力发电的发电站和变电站产生。在未来，核聚变工厂可以以安全可靠的方式取代所有这些工厂。(Credit: Steve Karg/pixnio)

如果你已经考虑过聚变电力，机会是你已经遇到过一句老话：“可行的聚变电力还有50年了……而且将永远是”。但按照芝加哥大学的唐·兰姆教授，情况肯定不再是这样了。当我问他关于这个问题时，他陈述：

“那是那时这是现在。只要有我们不理解的物理过程直到我们稳健的做了它上为止，没有人能确定我们应该能够[取得点火]。等离子体的物理学原是难以置信的丰富，就像激光器的物理学一样。

大自然奋力反击；只要你处理了一个物理过程大自然就会说：“啊哈！这里是另一个！”因为我们不理解所有阻碍我们的物理过程，我们会想，‘哦，我处理了这个问题，所以从现在起50年后，’而它只是保持这样无限下去。但现在我们能说，‘哦，大自然，你无计可施了，我现在抓住你了’” 。

换句话说，在我们取得点火之前------也就是在我们通过了破平衡点之前------我们就知道将会有一些我们尚未发现的基本科学问题。但现在这些问题已经被识别、处理并在我们之后。仍然有很多发展问题需要面对和克服，但从一个科学的角度来看，通过破平衡点并产生比我们输入的更多的能量的问题终于已经被克服了。

目前的核电站依靠一种可裂变的源来加热水，将其转化为蒸汽这上升并转动涡轮机发电。虽然通过惯性约束核聚变将是一种零星的来产生能量的方式，但在21世纪产生大量净功率的跨能量网分配的最终结果仍应该是触手可及的。(Credit: TTstudio / Adobe Stock)

从这些新的发展有无数的要点，但这里是我认为随我们走向未来每个人都应该记住关于核聚变的几点。

我们真的已经通过了破平衡点：其中入射在一个目标上的能量------触发一个核聚变反应的关键能量------比我们从反应本身中获得的能量更少。

这个阈值是仅略高于2.0兆焦耳的入射激光能量，远远低于许多人断言需要3.5、4、甚至5兆焦耳来取得破平衡点的。

必须建造一个新的被设计来承受这些新的能量的的一个带有透镜和设备的设施。

原型能量发电工厂将需要利用仍在开发的技术：安全可充电电容器组，能被用一套新的透镜发射的连续的产生聚变射击的大型的镜头系统，而最近使用的设置能被“治愈”，来利用和转化释放的能量成电能，能随着时间保持和分配能量的储能系统，包括在连续射击之间的时间等等。

居住在你后院的家庭聚变厂的梦想将不得不降级到遥远的未来；住宅不能处理被脉冲过它们的兆焦能量，所需的电容器组将创造一个实在的火灾/爆炸危险。它不会在你的后院或任何人的后院；这些核聚变产生的努力属于一个专门的，仔细监控的设施。

总的来说，现在是对一个所有这些技术实在大量投资的最佳时机，这一成赋予我们来相信在21世纪期间全球能源部门完全脱碳的每一个理由。在地球上成为人类是一个巨大的时刻；现在靠我们来做我们的投资算数。

爱善·西格尔（Ethan Siegel）感谢唐·兰姆教授关于最新的NIF研究的宝贵对话.

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/nuclear-fusion-breakeven/