世界上最大的核聚变设施的科学家们首次实现了被称为“点火”的现象，即产生比消耗更多能量的核反应。美国国家点火装置(NIF)于12月5日取得突破性进展，并于今天由美国总统乔·拜登(Joe Biden)政府宣布，这一消息令全球聚变研究界兴奋不已。那研究的目标是利用核聚变这一现象为太阳提供了能量，为地球提供了一种近乎无限的清洁能源。研究人员警告说，尽管取得了最新的成功，但实现这一目标还有很长的路要走。

“这是一项令人难以置信的成就，”加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)基础武器物理学项目副主任马克·赫尔曼(Mark Herrmann)说。赫尔曼说，这个具有里程碑意义的实验是多个团队多年来在从激光和光学到目标和计算机模型等各个方面的工作之后完成的。“这当然是我们要庆祝的。”

NIF是美国能源部核武器计划的旗舰实验设施，旨在研究热核爆炸，最初的目标是在2012年实现点火，但因延误和成本超支而面临批评。2021年8月，NIF的科学家们宣布，他们已经使用高功率激光设备实现了一种新技术记录经过a的反应关键阈值在实现点火但复制这一实验的努力失败了。最终，科学家们放弃了复制这一镜头的努力，并重新考虑了实验设计——这个选择在上周得到了回报。

“有很多人认为这是不可能的，但我和其他坚持这种信念的人多少觉得是正确的，”迈克尔·坎贝尔说，他是纽约罗切斯特大学激光能量学实验室的前主任，在劳伦斯·利弗莫尔实验室时是NIF的早期支持者。“我要庆祝一场cosmo。”

自然看看NIF的最新实验以及它对核聚变科学的意义。

NIF取得了什么成就?

该装置使用192台激光器，将2.05兆焦耳的能量传递到一个豌豆大小的金色圆柱体上，圆柱体中装有氢同位素氘和氚的冷冻颗粒。激光的能量脉冲导致胶囊坍塌，达到只有在恒星和热核武器中才能看到的温度，氢同位素融合成氦，释放额外的能量，并产生一连串的聚变反应。实验室的分析表明，该反应释放了约3.15兆焦耳的能量——大约比进入反应的能量多54%，是之前1.3兆焦耳记录的两倍多。

坎贝尔说:“自20世纪50年代初以来，核聚变研究一直在进行，这是实验室中首次发现核聚变产生的能量超过其消耗的能量。”

然而，尽管聚变反应产生了超过3兆焦耳的能量——比传递给目标的能量还要多——NIF的激光在这个过程中消耗了322兆焦耳的能量。尽管如此，该实验仍有资格作为聚变反应的基准标准——点火。

纽约伊萨卡康奈尔大学的核能工程师David Hammer说:“这是一个重大的里程碑，但NIF不是聚变能源装置。”

赫尔曼也承认这一点，他说在激光聚变能源的道路上有很多步骤。他说:“NIF的设计初衷不是为了提高效率。”“它被设计成我们可能建造的最大激光器，为我们提供(核)储备研究项目所需的数据。”

NIF的科学家们在最新的激光发射之前做了多项改变，部分是基于对先前实验的分析和计算机建模。除了将激光的功率提高8%左右，科学家们还减少了目标的缺陷数量，并调整了激光能量的传递方式，以创造一个更球形的内爆。赫尔曼说，科学家们正处于核聚变点火的尖端，他们知道“微小的变化可以产生巨大的变化”。

为什么这些结果如此重要?

在某种程度上，这是为了证明什么是可能的，许多科学家都称赞这一结果是核聚变科学的里程碑。但这一结果在NIF具有特殊的意义:该设施旨在帮助核武器科学家研究爆炸中的高温和高压，而这只有在实验室产生高当量聚变反应时才有可能实现。

这花了10多年时间，“但他们实现了目标，值得称赞，”物理学家斯蒂芬•博德纳(Stephen Bodner)说。他曾是华盛顿特区美国海军研究实验室(US Naval Research Laboratory)激光等离子体分部的负责人。博德纳说，现在最大的问题是能源部下一步将做什么:是在NIF的武器研究上加倍投入，还是转向一个面向聚变能源研究的激光项目。

这对核聚变能意味着什么?

最新的研究结果再次引发了人们对清洁核聚变能源未来的热议，但专家警告称，未来还有很长的路要走。

NIF在设计时并没有考虑到商业核聚变能源——许多研究人员怀疑激光驱动的核聚变将是最终产生核聚变能源的方法。尽管如此，坎贝尔认为其最新的成功可以增强人们对激光聚变能源前景的信心，并刺激一个专注于能源应用的项目。他表示:“要想有信誉推销一个能源项目，这是绝对必要的。”

劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔称这一成就是对概念的证明。她在华盛顿特区的一次新闻发布会上说:“我不想给你一种我们将把NIF插入电网的感觉:这绝对不是这样工作的。”“但这是惯性约束聚变发电方案的基本组成部分。”

世界上还有许多其他的实验试图实现能源应用的核聚变使用不同的方法．但工程上的挑战依然存在，包括如何设计和建造能够提取核聚变产生的热量并将其转化为可用电力的工厂。

英国剑桥大学核能研究员Tony Roulstone在伦敦科学媒体中心的一份声明中说:“尽管这是一个好消息，但这一结果离生产电力所需的实际能源增益还有很长的路要走。”

不过，剑桥麻省理工学院的等离子体物理学家安妮•怀特(Anne White)表示:“NIF聚焦于核聚变能的实验，在通往商业核聚变能源的道路上绝对是有价值的。”

核聚变的下一个重要里程碑是什么?

为了证明在NIF研究的聚变类型可以是一种产生能量的可行方式，产量的效率——释放的能量与产生激光脉冲的能量相比——需要至少增长两个数量级。

研究人员还需要大幅提高激光脉冲的产生速度，以及它们清理目标室以准备再次燃烧的速度，该中心科学和运营负责人蒂姆·卢斯(Tim Luce)说国际核聚变反应堆ITER正在法国St-Paul-lès-Durance建设。

怀特说:“在重复性能下，足够的聚变能产生事件将是一个重要的里程碑。”

耗资220亿美元的ITER项目——由中国、欧盟、英国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国合作——旨在实现自我持续的聚变，这意味着通过与NIF的“惯性约束”方法不同的技术，核聚变产生的能量产生更多的聚变。ITER将保持等离子体氘和氚被限制在一个被称为托卡马克的甜甜圈状真空室中，加热它直到原子核聚变。一旦反应堆开始朝着核聚变方向发展，目前计划在2035年完成，它的目标将是达到“燃烧”阶段，“自热电源是主要的加热来源”，Luce解释道。

这对其他聚变实验意味着什么?

NIF和ITER只使用了全世界正在追求的众多聚变技术概念中的两种。这些方法包括等离子体的磁约束，使用托卡马克和被称为恒星器的设备，惯性约束，由NIF使用，以及混合。

怀特说，从核聚变中产生电力所需的技术在很大程度上独立于这一概念，而这一最新的里程碑并不一定会导致研究人员放弃或巩固他们的概念。

NIF面临的工程挑战不同于ITER和其他设施。但这一象征性的成就可能会产生广泛的影响。卢斯说:“这样的结果将增加人们对所有类型聚变进展的兴趣，因此它应该对一般的聚变研究产生积极影响。”