能量|Nature封面：可控核聚变里程碑式新进展，燃烧等离子体实现新进展|燃料|燃烧|等离子体|研

机器之心报道
编辑：杜伟、泽南

通过世界最大的激光，研究人员首次诱导聚变燃料自行输出能量超过了输入热量，实现了一种称为燃烧等离子体的现象。

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凭借 192 束激光以及比太阳中心高三倍以上的温度，科学家们在通往几乎无污染聚变能源的漫长道路上（至少在几分之一秒内）达到了一个关键的里程碑。
今日，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置（National Ignition Facility）研究者的一项研究登上了最新一期的《自然》杂志的封面。研究者成功地激发了一种持续很短时间的聚变反应，这是一项重大的壮举，因为聚变需要非常高的温度和压力，很容易熄灭。
这项研究的最终目标是像太阳产生热量一样实现发电，通过压碎氢原子并使它们彼此靠近，然后生成氦以释放大量的能量。但是，自理论提出以来，人们和这个目标的距离一直是「需要数年时间」。

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论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-w
一支有 100 多人参与的团队在论文《Burning plasma achieved in inertial fusion》中发表了四项实验的结果，并展示了他们取得的成就——燃烧等离子体（ burning plasma）。有了这些结果以及 2021 年 8 月发布的跟踪实验初步结果，研究者表示他们即将迎来一个更大的进展——点火（ignition）。到那时，燃料可以继续自己「燃烧」，也将产生比激发最初反应所需能量更多的能量。
论文共同一作、劳伦斯利弗莫尔国家实验室实验物理学家 Alex Zylstra 表示，「我们离实现下一步目标非常近了。」

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核聚变（nuclear fusion）将水分子中的两种氢（氘和氚，氢的两种同位素或形式）压在一起。当它们融合时，没有参与此项研究的密歇根大学实验等离子体物理学家 Carolyn Kuranz 表示，「少量（毫克）的燃料会产生大量的能量，并且非常『干净』，不会生成放射性废弃物。这基本上是无限的清洁能源，并可以部署在任何地方。」
研究回顾
几十年来，世界各地的研究人员一直致力于这项研究，尝试了不同的方法。其中， 35 个国家在法国南部合作开展了一个名为国际热核试验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）的项目，该项目使用巨大的磁性材料来控制过热的等离子体。该项目预计将于 2026 年运营。
同样没有参与这项研究的普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory）主任 Steven Cowley 介绍道，美国和英国开展的早期实验成功地融合了原子，但没有实现自发热。

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位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的 NIF 目标湾（Target Bay）。该系统使用 192 束激光束汇聚在巨大球体的中心，使一个微小的氢燃料芯块（hydrogen fuel pellet）内爆。图源：Lawrence Livermore National Laboratory

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但现在不能指望核聚变实用化。共同一作、伦斯利弗莫尔国家实验室首席科学家 Omar Hurricane 表示，「在科学上，这些结果令我们非常兴奋。但我们离实现有效能量（useful energy）还有很长的路要走。也许需要几十年。」

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美国国家点火装置（NIF）。
技术概览
获得燃烧等离子体是实现自持（self-sustaining）聚变能量的关键一步。燃烧等离子体是一种等离子体，其中聚变反应本身是等离子体中加热的主要来源，对于维持和传播燃烧是必需的，可以实现高能量增益。
经过数十年的聚变研究，研究者在实验室中实现了燃烧等离子体状态，其中一个激光装置可以在燃料胶囊中提供高达 1.9 兆焦耳的脉冲能量，峰值功率高达 500 太瓦。他们使用激光在辐射腔中产生 X 射线，然后通过 X 射线烧蚀压力间接驱动燃料胶囊，从而使得内爆过程通过机械功压缩和加热燃料。
这些实验表明，聚变自热（fusion self-heating）超过了注入内爆的机械功，满足了几项燃烧等离子体指标。此外，研究者描述了一个似乎已经跨越静态自热边界的实验子集，其中聚变加热超过了辐射和传导的能量损失。这些结果为在实验室中研究以 α 粒子为主的等离子体和燃烧等离子体物理学提供了机会。

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评估燃烧等离子体的简单指标。
此前，研究者在实验室中已经花了好几年的时间，而且很多尝试都失败了。他们做出了调整：将燃料胶囊（ fuel capsule）增大了 10% 。
燃料胶囊装在一个微小的黄金金属柱体中，研究者将 192 束激光对准该柱体。研究者将它加热到 1 亿度，在燃料胶囊内部产生的压力比太阳中心内部的压力高出 50% 左右。 Alex Zylstra 表示，这些实验创造了持续了仅万亿分之一的燃烧等离子体，但这足以被认为是成功的。

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用于融合的间接驱动惯性约束方法示意图。
总的来说，该研究中做的四项实验（分别做于 2020 年 11 月和 2021 年 2 月）产生了 0.17 兆焦耳（megajoule）的能量，远远超出了以往的尝试，但仍然不到启动该过程所用能量的十分之一。作为对比，一兆焦耳的能量大约可以将一加仑（约 3.8 升）的水加热到 100 华氏度（约 37.8 摄氏度）。

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与接近点火相关的参数空间。
根据之前的信息， 2021 年晚些时候所做实验的初步结果仍在接受其他科学家的审查，当时研究者能量输出达到了 1.3 兆焦耳，并持续了 100 万亿分之一秒。但即便如此，这个数值也低于达到收支平衡所需的 1.9 兆焦耳。
参考链接：
https://phys.org/news/2022-01-hot-lab-milestone-road-fusion.html
【能量|Nature封面：可控核聚变里程碑式新进展，燃烧等离子体实现】https://www.reuters.com/business/energy/researchers-achieve-milestone-path-toward-nuclear-fusion-energy-2022-01-26/