來源：原理

　　我們在地球上之所以能看到陽光、感受到溫暖，都是源自于發(fā)生在太陽核心的核聚變。核聚變指的是當原子合并在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。出于這樣的原因，一直以來，物理學家都希望能夠在地球上建造這樣一個“迷你太陽”。然而在實驗室里實現(xiàn)核聚變是非常困難的事，一個重大的挑戰(zhàn)就是“點火”。

我們的太陽。|圖片來源：NASA

　　“點火”指的是聚變反應所產生的能量等于或超過輸入能量的時刻。具體來說，在聚變反應堆中，一旦達到合適的條件，聚變反應就會釋放出一些粒子，其中包括阿爾法粒子，這些粒子會與周圍的等離子體發(fā)生相互作用，進一步加熱等離子體，加熱后的等離子體會釋放出更多的阿爾法粒子，以此類推，形成一個能夠自我維持的反應。

　　然而，盡管相關的研究已經持續(xù)了數十年，但這樣的過程之前未完全實現(xiàn)過，我們仍處于能量“入不敷出”的情況——需要耗費更多的能量才能使聚變反應進行并維持下去。

　　2021年8月8日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）進行了一項新的實驗。NIF的科學家團隊重現(xiàn)了存在于太陽核心的極端溫度和壓力，首次接近達到觸發(fā)核聚變中的“點火”（ignition）的階段，朝著在地球上實現(xiàn)核聚變的目標邁進了一大步。

　　NIF采用一種被稱為慣性約束聚變的受控熱核聚變方法。這是一種利用激光對氫燃料丸（核聚變反應的燃料）進行壓縮，使氫聚變成更重的元素（比如氦）并釋放出大量能量的過程。NIF使用了一臺巨大的激光器，這個激光器被裝載在一個有著三個足球場大的設備中，能夠產生192束激光束。

　　這些激光束在20納秒的時間內，以短暫、強大的脈沖聚焦在一個小小的燃料丸上，其目的是將盡可能多的能量注入到燃料丸中。燃料丸中充滿了氫的重同位素——氘和氚，這些同位素更容易聚變并產生更多的能量，它們會被加熱和加壓到與太陽核心條件接近的情況。

　　充滿了氘和氚的小球體被裝在一個橡皮擦大小的金圓柱體容器內。當黃金蒸發(fā)，產生X射線脈沖，燃料丸就會爆聚（implosion），使核聚變燃料成為一個高溫的、致密的小球，足以點燃核聚變。

　　國家點火裝置的192束激光束進入一個橡皮擦大小的金圓柱體，從內部加熱產生X射線，然后在其中心使燃料艙爆聚，產生核聚變。|圖片來源：LLNL

　　早期，NIF每次只能產生約1千焦的能量。通過改進實驗裝置，去年他們成功地產生了100千焦的能量。其中主要的改進工作包括消除一些微型碰撞和燃料丸表面的坑，減少燃料丸上的用于注入燃料的孔的大小，減少金屬圓柱形容器上的孔隙從而讓更少的能量逃逸，并延長激光脈沖的時間從而讓驅動燃料的時間變得更長。

　　在今年早些時候，NIF團隊通過以各種方式結合這些改進，創(chuàng)下了好幾次超過100千焦的記錄，其中一次達到了170千焦。這個結果表明，NIF最終創(chuàng)造出了一個“燃燒的等離子體”，聚變反應本身為更多的聚變提供了熱量。

　　最后，在最新的實驗中，一個驚人的記錄產生了。NIF的強大的激光脈沖（1.9兆焦）引發(fā)了燃料丸的核聚變爆炸，產生了超過1.3兆焦的能量——這是該設備自建成以來所產生的最高能量的8倍，它達到了觸發(fā)它的激光脈沖的能量的70%，成為了最接近“點火”的實驗。

　　2021年8月8日，NIF的一項實驗突破記錄，接近了聚變的點火階段，實現(xiàn)了1.3兆焦以上的能量產率。|圖片來源：John Jett / LLNL

　　這一能量對所有人來說都是一個驚喜，它比之前的任何慣性約束聚變實驗所產生的能量都高。研究人員認為，這樣的結果為今后產生比更多能量的反應鋪平了道路，它證明了“點火”并非是不可能的。

　　雖然，NIF的最新實驗所需的能量輸入仍然比能量輸出更多，但它是首個疑似達到關鍵的“點火”階段的實驗，是非常令人興奮的突破。它證明了少量的能量，少量的質量爆聚，就可以實現(xiàn)核聚變。這樣的結果鼓舞了這一領域進行了多年嘗試的物理學家們，他們相信接下來還將抵達更多的更高能量里程碑。

　　這一結果是慣性約束聚變研究向前邁出的歷史性一步，NIF的激光創(chuàng)造了地球上最極端的條件。他們在試圖完美復制太陽中心的條件，使物理學家能夠研究過去在實驗室中無法創(chuàng)造的物質狀態(tài)，比如在恒星和超新星中發(fā)現(xiàn)的物質。這將有助于物理學家探索宇宙中的一些最極端狀態(tài)的條件，比如大爆炸后幾分鐘的情況。

　　在最新實驗中，有幾個改進同時被調整了。目前，研究人員還尚不清楚究竟哪些改進導致了發(fā)揮了最大的作用，這需要進行更長一段時間的研究才可能弄清楚。

　　#創(chuàng)作團隊：

　　編譯：二宗主

　　#參考來源：

　　https：//www.imperial.ac.uk/news/228373/major-nuclear-fusion-milestone-reached-ignition/ 

　　https：//www.sciencemag.org/news/2021/08/explosive-new-result-laser-powered-fusion-effort-nears-ignition 

　　https：//www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition 

　　https：//lasers.llnl.gov/science/ignition

　　#圖片來源：

　　封面圖來源：LLNL