直击LLNL新闻发布会，见证激光聚变历史：激光聚变首次实现净能量增益
作者|吴栋上海交通大学
优化设计与实验改进
HighPowerLaserScienceandEngineering期刊获悉，美国东部时间12月13日上午10点，在美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室召开的新闻发布会上，美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer M. Granholm）和国家核安全管理局局长吉尔·赫鲁比（Jill Hruby）公布了美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员在美国国家点火装置（NIF）上所获得的一项重大科学成果，参加新闻发布会的还有白宫科技政策办公室主任阿拉蒂·普拉巴卡尔（Arati Prabhakar）博士，国家核安全管理局**计划处副处长马文·亚当斯（Marvin Adams）博士，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·巴迪尔（Kim Budil）博士以及美国众议院议员亚历克斯·帕迪拉（Alex Padilla）等。
在2022年12月5 日NIF的一个实验发次中，在输入激光总能量为2.05 MJ的条件下，获得了3.15 MJ的氘氚聚变能量输出，历史性地实现了净能量增益。
在随后的座谈会上，本次实验的靶设计负责人安妮·克里彻（Annie Kritcher）对本次实验成功的原因做了解释说明，本次实验主要对激光调控和靶丸设计进行了特别改进：
1）在内爆压缩的实验设计中，充分利用和调控不同光束的束间能量转移，实现了不均匀度仅为1%的近乎完美的球对称压缩，这将有利于高质量的热斑形成与燃烧波的传播。
2）在靶丸设计上，使用了更厚的氘氚壳层，为实现点火提供了更多裕量，同时提高了燃烧过程中参与反应的燃料物质量。
接下来，NIF将进一步分析本次实验的成功原因，并希望在后续实验中复现本次实验。后续将进一步升级激光能量，以支持更大规模的实验与能量增益。借助机器学习，研究者们将对实验设计参数的点火区间进行更深入的研究。同时，美国能源部鼓励私人公司和研究机构参与聚变研究，并将全力推进聚变能源的商业化。
图1 在美国国家点火装置中，激光能量在空腔内转换成x射线，然后x射线压缩燃料靶丸，进行内爆并产生高温高压等离子体。
里程碑式成就，着力保障清洁能源与****
美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer M. Granholm）说：“对于国家点火装置的研究人员和工作人员来说，这是一项具有里程碑意义的成就，他们致力于实现聚变点火，这一里程碑无疑将激发更多的科学发现。他们的工作将帮助我们解决人类最复杂和最紧迫的问题，比如提供清洁能源应对气候变化以及在没有核试验的情况下保持核威慑等。”
图2 美国国家点火装置的靶室，在2022年12月5日，总能量为200万焦耳的192束激光向一个微小的氘氚燃料球汇聚，以实现聚变点火。
国家核安全管理局局长吉尔·赫鲁比（Jill Hruby）说：“2022 年 12 月 5 日星期一是科学界历史性的一天。这一历史性的科学突破，开启了国家核安全库存管理计划的新篇章。我们拥有了最好的核试验替代方案，并有能力在实验室中创造极端的物理环境。”
图3 2022年12月5日，美国国家点火装置，用于放置和支撑低温燃料球的金腔。
白宫科技政策办公室主任阿拉蒂·普拉巴卡尔（Arati Prabhakar）博士说：“我们对聚变的理论理解已经超过一个世纪了，但从知道到实现这个过程可能是漫长而艰巨的。今天的里程碑表明我们可以用毅力来实现我们想要做到的。”
劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·巴迪尔（Kim Budil）博士说：“在实验室中所追求的聚变点火，是人类有史以来所应对的最重要的科学挑战之一，实现它是科学的胜利、工程的胜利，但最为重要的是人类的胜利。”
美国众议员亚历克斯·帕蒂弗（Alex Padilla）说：“这一重大成就展示了聚变能源商业化的可能性。国会和政府应对该研究予以充分资助，并适当实施最近颁布的芯片和科学法案中有关的聚变研究条款。在第二次世界大战期间，为了及时获得成果，我们精心设计了曼哈顿计划。当今世界面临的挑战甚至比当时更大，我们必须加倍努力，加快研究基于核聚变的清洁、无限能源的新途径。”
詹妮弗·格兰霍姆还补充道：“实现净能量增益只是一个开始，后续还有大量的基础科学问题有待研究。聚变能源的实际应用还需要几十年的时间，这期间美国政府将对磁约束聚变和惯性约束聚变研究给予相同权重的支持，同时政府也十分鼓励私人资本进驻该研究领域。”
回顾NIF走过的路
1972年，Nuckolls首次在Nature杂志揭秘了一种基于内爆方式的激光聚变方案，即中心点火方案，这一年也因此被学术界称之为激光聚变元年。时至今日，人类围绕中心点火激光聚变研究已经整整持续了五十年。美国劳伦兹利弗莫尔实验室自1997年始，便以实现聚变能量输出大于输入的激光能量为目标，建设了拥有192路、总能量约为2 MJ的国家点火装置（NIF）。NIF采用间接驱动方案，192路激光从圆柱金质黑腔的上下底面入射，辐照在黑腔内壁上，产生空间均匀的X射线辐射场。X射线辐照在置于黑腔中心的氘氚燃料靶丸外表面，通过烧蚀作用向心压缩燃料靶丸。随着密度、温度的升高，燃料中心区域压强可以与太阳核心的压强相当，从而引发聚变反应。当聚变功率超过了能量损失功率时，形成可自持燃烧的热斑，即为点火。当燃烧波从热斑向外扩散时，点燃周围燃料，实现净能量增益。
2021年8月8日，NIF的N210808发次采用了更大的靶丸尺寸与更小的激光入射孔径，获得了1.35 MJ的能量输出，能量增益达到了0.7，相较于同年先前的实验发次能量产额翻了近十倍。N210808实验发次首次证明NIF已经实现了物理意义上的点火。这一火箭式的能量产额提升，带给研究者们极大的鼓舞，大家坚信实现正增益的关键钥匙，就潜藏在这一发次的实验数据中。而就在短短的一年多的时间里，NIF又有了新的突破，2022年12月5日，NIF实现了聚变能源意义上的净能量增益。NIF的科学们还会继续改进靶和激光设计，明年预计会获得更高的能量增益。
来自美国旧金山的一只蝴蝶已经在扇动翅膀，也许正有一阵龙卷风将要席卷古老的化学能源丛林，我们拭目以待。
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作者简介
吴栋，上海交通大学物理与天文学院长聘教轨副教授、博士生导师，阳阳青年学者。2015年，于北京大学获得等离子体物理博士学位，2015-2021年曾在中国科学院上海光机所和浙江大学工作，历任助理研究员、副研究员以及特聘副研究员。研究领域为惯性约束聚变以及高能量密度物理，尤其擅长宏观尺度稠密等离子体的动理学理论建模和数值模拟。开发完成了国际上首套宏观尺度量子简并等离子体动理学数值模拟程序LAPINS，在强激光强流带电粒子与稠密等离子体相互作用以及惯性约束聚变中的量子简并等离子体的动理学研究方面取得创新和突破，形成了研究特色。在国际主流学术刊物发表一作或通讯作者论文超过30篇，获得首届**基础科研核科学挑战专题高能量密度物理领域“科学挑战英才”称号，提出的包含等离子体屏蔽效应的韧致辐射模拟方法被英国华威大学EPOCH程序采用，获得的高马赫数量子简并等离子体对撞研究成果被应用到“双锥对撞点火”基准靶设计中。
编辑|金梦菲菲