美國可控核聚變4次點(diǎn)火成功，刷新紀錄登Nature！首席女科學(xué)家入選年度十大人物
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對面交流
海量資料庫查詢(xún)
美國可控核聚變實(shí)驗，四次實(shí)現凈能量增益！
去年12月14日，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（LLNL）首次實(shí)現可控核聚變點(diǎn)火成功，為全人類(lèi)摘下清潔能源「圣杯」——
在向目標提供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)驗室首次實(shí)現3.88兆焦耳的輸出能量，創(chuàng )下歷史最高。
10月30日，實(shí)驗室再刷記錄——輸入能量首次達到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，當可控核聚變最終實(shí)現時(shí)，人類(lèi)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(xiàn)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、長(cháng)效的放射性廢物——人類(lèi)將得到真正意義上的「清潔能源」。
這意味著(zhù)進(jìn)入電氣時(shí)代后，一直困擾著(zhù)人類(lèi)的能源緊缺問(wèn)題將從此消失。人類(lèi)甚至能在可控核聚變帶來(lái)的恒星級能源中，實(shí)現前所未有的科技突破。
四次成功點(diǎn)火，連續刷新記錄
不過(guò)，讓我們先回到現實(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行的激光系統，而這在一定程度上就得益于實(shí)驗室研發(fā)的光學(xué)回收循環(huán)系統。
2023年6月，NIF完成了兩項關(guān)鍵的改進(jìn)措施，這對實(shí)現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(xiàn)上使用熔融二氧化硅碎片屏蔽，以及在32條下半球光束線(xiàn)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(xiàn)。由于重力原因，較低光束線(xiàn)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，單靠增加能量是遠遠不夠的——
激光脈沖的持續時(shí)間僅為幾十億分之一秒，因此需要極高的精確度才能達到理想效果。
為了達到這個(gè)目標，團隊最近完成了高保真脈沖整形（HiFiPS）系統的部署工作。
作為一個(gè)歷時(shí)多年的項目，HiFiPS能夠更精確、更準確的脈沖整形，進(jìn)而在內爆中實(shí)現更好的功率平衡和對稱(chēng)性控制。
此外，團隊還翻新了設施中的光纖，使其更能承受反復的中子暴露。這些光纖用于精確測量傳遞給目標的激光脈沖。
翻新后，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(guān)測」激光性能。
然而，從目前的技術(shù)水平到實(shí)現向電網(wǎng)提供聚變能源，仍然有很長(cháng)的路要走。
盡管NIF擁有目前世界上最大的激光器，但該系統效率極低，在每次點(diǎn)火中，有超過(guò)99%的能量在到達目標前就已損失殆盡。
而開(kāi)發(fā)更高效的激光系統，便是DOE新啟動(dòng)的慣性聚變研究計劃的一個(gè)重要目標。
最近，該部門(mén)宣布將在四年內投入4200萬(wàn)美元，建立三個(gè)新的研究中心，來(lái)共同努力實(shí)現這一目標及其他科學(xué)進(jìn)步。
其中，每個(gè)中心都將包括國家實(shí)驗室、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在國家點(diǎn)火裝置（NIF）上實(shí)現了一個(gè)幾十年來(lái)全世界實(shí)驗室都難以實(shí)現的目標——將原子壓縮到極致，使得它們的核發(fā)生融合，并產(chǎn)生出比反應本身消耗的還要多的能量。
但是，在達到這一實(shí)驗里程碑（即點(diǎn)火）之后，團隊面臨著(zhù)重復這一成就的壓力。
高風(fēng)險的研究很少能一帆風(fēng)順：團隊在6月份進(jìn)行了首次復現，但結果卻差強人意。
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****了2.05兆焦耳的能量。
由此引發(fā)的內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(méi)有哪個(gè)實(shí)驗室可以實(shí)現輸出能量大于消耗能量的聚變反應。
隨后，Kritcher和她的團隊又在10月份成功地進(jìn)行了兩次點(diǎn)火，從而讓總點(diǎn)火次數達到了四次。
2004年，Kritcher在利弗莫爾進(jìn)行暑期實(shí)習時(shí)，就開(kāi)始研究聚變能源。很快她就將目光投向了NIF——世界上為數不多可以研究聚變反應的地方。
2012年，Kritcher正式加入NIF。
從那時(shí)起，她就帶領(lǐng)團隊分析實(shí)驗數據，并使用計算機模型設計實(shí)驗——通過(guò)調整目標的大小和配置以及各種激光束的能量和時(shí)間等參數，實(shí)現并提高核聚變產(chǎn)量。一旦她的團隊完成設計，實(shí)驗團隊就會(huì )接手****激光并收集數據。
過(guò)程中，Kritcher表現出了非常卓越的能力，而這也讓她在2016年成為了NIF的首席設計師之一。
在接下來(lái)的幾年里，Kritcher和她的團隊一直在對NIF的主要實(shí)驗項目進(jìn)行數字運算和設計調整。在對目標進(jìn)行各種改動(dòng)的同時(shí)，團隊還利用各種改進(jìn)措施提高了激光的總體能量。結果就是，核聚變的實(shí)現，越來(lái)越頻繁了。
隨著(zhù)「點(diǎn)火」的成功，Kritcher又開(kāi)始了一系列新的實(shí)驗——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(zhù)，NIF向實(shí)現數十兆焦耳甚至更高產(chǎn)能的目標，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。根據愛(ài)因斯坦標志性的E=mc2質(zhì)能方程，這個(gè)質(zhì)量差會(huì )轉化為能量爆發(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釋放的能量大于輸入的能量，并且讓過(guò)程可持續。
NIF點(diǎn)火原理20世紀60年代，LLNL的一組先鋒科學(xué)家就作出假設：激光可以用來(lái)在實(shí)驗室環(huán)境中誘導核聚變。
隨后，在物理學(xué)家John Nuckolls的領(lǐng)導下，這一革命性的想法演變?yōu)閼T性約束核聚變。
為了實(shí)現這一概念，LLNL建立了一系列越來(lái)越強大的激光系統，最終建立了世界上最大、能量最強的NIF。
實(shí)驗中，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 )擊中內壁并使其發(fā)出X射線(xiàn)，然后這些X射線(xiàn)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使，最終會(huì )向中央坍縮發(fā)生內爆。在內爆時(shí)，只要對燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生鏈式反應——也就是「點(diǎn)火」，隨之便會(huì )放出大量能量。
工程奇跡
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(gè)極大的挑戰，需要光學(xué)支持系統具有堅如磐石的穩定性、部件的精確定位和對準以及嚴格精確的計算機計時(shí)系統。為了應對這些挑戰，所有支撐NIF反射鏡和透鏡的結構在設計時(shí)都考慮到了極高的穩定性。
工程團隊針對包括水泵、電機和變壓器在內的所有振動(dòng)源，細致地計算了可能會(huì )對激光組件（通常是激光反射鏡）產(chǎn)生的影響。通過(guò)細致的建模，振動(dòng)（>1Hz）和漂移（<1Hz）的設計都得到了滿(mǎn)足。測試結果表明，原型光束線(xiàn)的性能可以達到或優(yōu)于50微米的要求。此外，為確保光束線(xiàn)組件不影響激光凈空，團隊還采用了精密測量技術(shù)，從而建立嚴格的測量網(wǎng)絡(luò )，并控制好所有光束線(xiàn)組件的物理位置。所有光束外殼、支持系統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計團隊，他們設計的結構既要有足夠的剛度，又要有足夠的阻尼，使結構對地面振動(dòng)和建筑設備預期振動(dòng)的響應符合整體穩定性要求。
確保所有192束激光在規定的30皮秒內到達，是通過(guò)使用GPS衛星系統不斷更新內部時(shí)鐘的精確定時(shí)系統實(shí)現的。集成的軟件和硬件不斷監測和更新定時(shí)，以保持精確度。每個(gè)機械接口的設計公差優(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，嚴格控制的程序可保持每個(gè)LRU的系統定時(shí)。雖然，我們現在還不能借助這個(gè)裝置，將核聚變要真正應用于發(fā)電。
但是在60年的尺度上，人類(lèi)已經(jīng)取得了重大的突破。
對于未來(lái)，我們或許也可以抱有更多的想象力。
來(lái)源：新智元*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
