激光聚变反应堆接近“燃烧等离子体”里程碑

2010年10月，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的研究人员在一个具有三个美式足球场的建筑中，发射了192束激光束，用超速卡车的冲头将其能量聚焦成脉冲，并发射了一颗核子弹刺激了胡椒粉的大小。因此，美国国家点火装置（NIF）开始了一项运动，以实现其目标：点燃聚变反应，产生的能量比激光器所投入的能量还要多。

十年又近三千张照片之后，NIF产生的嘶嘶声仍比爆炸高，这是由于激光目标蒸发和爆裂时复杂，鲜为人知的行为所致。但是，有了新的靶标设计和激光脉冲形状，以及更好的监测微型爆炸的工具，NIF研究人员认为它们已经接近了一个重要的中间里程碑，即“燃烧等离子体”：由反应本身的热量而持续的聚变燃烧比激光能量的输入

自热是燃烧所有燃料并获得失控能量的关键。利弗莫尔（Livermore）核聚变计划的负责人马克·赫尔曼（Mark Herrmann）说，一旦NIF达到阈值，模拟表明它将有一条更容易点火的途径。他说：“我们正在竭尽全力。” “您可以在我们的理解中感受到加速。”局外人也印象深刻。伦敦帝国理工学院惯性融合研究中心联合主任史蒂文·罗斯说：“您会觉得自己取得了稳步发展，减少了猜测。” “他们正在摆脱传统的设计并尝试新事物。”

但是，NIF可能没有足够的时间。用于点火工作的NIF射击比例已从2012年的近60％降低到今天的不到30％，以保留更多的射击用于库存管理-模拟核爆炸的实验，以帮助验证弹头的可靠性。近年来，总统预算要求一再试图削减NIF和其他地方对惯性约束聚变的研究，只是让国会保留它。 NIF的出资人国家核安全局（NNSA）正在5年内首次审查该机器的进度。在使核武库现代化的压力下，该机构可能决定进一步转向库存管理。 “点火程序会被挤出吗？”麦克·邓恩（Mike Dunne）问道，他在2010年至2014年间负责利弗莫尔的核聚变能源研究。

长期以来，聚变一直是无碳能源，它是由容易获得的氢同位素提供燃料，并且不会产生长寿命的放射性废物。但这仍然是一个遥不可及的梦想，即使对于像法国ITER项目这样的缓慢燃烧，呈环形的电磁炉来说，它的目标是在2035年后的某个时候实现能源获取。

NIF和其他惯性聚变装置将不太像熔炉，而更像是内燃机，它们通过小型燃料芯块的快速燃烧爆炸产生能量。尽管有些聚变激光将光束直接对准小球，但NIF的射束是间接的：光束加热的金罐大小相当于橡皮的大小，称为hohlraum，后者发出脉冲的X射线，旨在通过加热燃料盒来点燃聚变。在其中心达到数千万度，并将其压缩到数十亿个大气压。

但是在点火运动的前三年中，每次发射仅产生约1千焦耳（kJ）的能量，这比通过X射线脉冲注入胶囊的21 kJ短得多，而在发射过程中则只有1.8兆焦耳（MJ）。原始激光脉冲。领导首场战役的齐格弗里德·格伦策（Siegfried Glenzer）说，车队对点火非常“野心勃勃”。 “我们过分依赖仿真，”现任SLAC国家加速器实验室的Glenzer说。

在点火运动失败后，NIF研究人员加强了他们的诊断仪器。他们增加了更多的中子探测器，以向他们提供聚变反应发生位置的3D视图。他们还调整了四束激光束，使其在爆炸后产生瞬间的大功率超短脉冲，从而使靠近目标的细线蒸发。电线充当X射线闪光灯，能够在燃料压缩时对其进行探测。加州大学伯克利分校的行星科学家Raymond Jeanloz说：“这就像是CAT扫描一样。”他使用NIF复制木星等巨型行星核心的压力。 （大约10％的NIF镜头专用于基础科学。）

研究人员凭着更敏锐的视野，追踪了爆炸的燃料团块中的能量泄漏。一个是在枪击前一支细管向胶囊注入燃料的时候。为了堵住泄漏，团队将管子做得更细。其他泄漏可追溯到胶囊的塑料外壳，因此研究人员对制造进行了改造，以消除仅百万分之一米的缺陷。罗彻斯特大学激光能量学实验室的Mingming Wei说，改进后的诊断“确实有助于科学家了解需要改进的地方”。

点火自热2017–19大号钻石囊，长脉冲2013–15塑料囊，快内爆2011–12塑料囊，慢内爆0 60 70 50 40 30 20 10 0 0.1 0.2热点的面密度（克/ cm 2 ）0.3 0.4 0.5热点温度（百万摄氏度）

该团队还采用了20纳秒激光脉冲的形状。早期射击的功率缓慢增加，以避免燃料过快加热并使其难以压缩。后来的脉冲更加激进地上升，以使塑料胶囊在压缩过程中与燃料混合的时间更少，这种策略在某种程度上提高了产量。

在2017年开始的当前活动中，研究人员通过将球囊和胶囊扩大20％，增加胶囊可以吸收的X射线能量来提高温度。为了提高压力，他们延长了脉冲的持续时间，并从塑料胶囊切换为密实的钻石胶囊，以更有效地压缩燃料。

NIF已多次达到接近60 kJ的产量。但是赫尔曼说，本月早些时候在美国物理学会等离子体物理分会上讨论的最近一枪已经超出了这一范围。计划重复拍摄以衡量它们与燃烧的等离子体之间的距离，该等离子体预计发生在100 kJ附近。他说：“这非常令人兴奋。”

NIF研究人员甚至认为即使在最大压缩率下，也只有燃料的正中心足够热才能融合。但是，在令人鼓舞的发现中，他们看到了证据，表明聚变反应引起的氦原子核的频移使热点得到了加热。如果NIF可以吸收更多的能量，它会发出一波从热点跳出来的波，并在燃烧时燃烧燃料。

赫尔曼说，该团队还有更多的技巧可以尝试-每个技巧都可以将温度和压力提高到足以维持等离子燃烧和点火的水平。他们正在测试不同的球形形状，以更好地将能量聚焦到胶囊上。他们正在尝试使用双层胶囊来更有效地捕获和转移X射线能量。他们希望通过将燃料浸泡在胶囊内的泡沫中，而不是像冰一样将其冷冻到胶囊壁上，希望形成一个更好的中心热点。

这样就足以引起点火了吗？如果这些步骤不足够，那么提高激光能量将是下一个选择。 NIF研究人员已经测试了四个光束线的升级，并设法获得了能量提升，如果将升级应用于所有光束，则整个设施将接近3 MJ。

当然，这些升级将花费时间和金钱，NIF可能最终无法获得。 NIF和其他地方的核聚变科学家正焦急地等待NNSA审查的结论。 “我们能走多远？”赫尔曼问。 “我是个乐观主义者。我们将尽可能地推动NIF。”