什么是核聚变？

聚变是一种核反应，它将两个原子结合起来产生一个或多个总质量稍小的新原子。正如爱因斯坦著名方程式E = mc2所描述的那样，质量差以能量形式释放，其中能量等于质量乘以光速的平方。

由于光速是巨大的，因此仅将极少量的质量转化为能量——就像聚变中发生的那样——会产生同样巨大的能量。

美国政府位于加利福尼亚州的国家点火设施的研究人员首次展示了所谓的聚变点火。点火是指聚变反应产生的能量多于从外部源输入反应的能量，并变得自我维持。

国家点火装置使用的技术涉及向0.04 英寸（1 毫米）的燃料芯发射192 束激光，燃料芯由氘和氚制成——氢元素的两种版本，带有额外的中子——放置在一个金罐中。

当激光击中罐子时，它们会产生 X 射线，将燃料芯块加热并压缩到铅密度的 20 倍左右，并达到超过 500 万华氏度（300 万摄氏度）——大约是燃料表面温度的 100 倍太阳。

如果你能保持这些条件足够长的时间，燃料就会融合并释放能量。

在实验过程中，燃料和罐在十亿分之一秒内蒸发。然后，研究人员希望他们的设备能经受住高温并准确测量聚变反应释放的能量。

燃料装在一个小罐中，该罐旨在使反应尽可能不受污染。

美国能源部/劳伦斯利弗莫尔国家实验室

科学家取得了什么成就？

为了评估聚变实验的成功与否，物理学家会观察聚变过程中释放的能量与激光中的能量之间的比率。这个比率称为增益。

任何高于 1 的增益都意味着聚变过程释放的能量多于激光发射的能量。

2022 年 12 月 5 日，国家点火装置用 200 万焦耳的激光能量发射了一个燃料颗粒——大约是吹风机运行 15 分钟所需的能量——所有能量都包含在十亿分之一秒内。

这引发了释放 300 万焦耳的聚变反应。这是大约 1.5 的增益，打破了该设施在 2021 年 8 月创下的 0.7的增益记录。

为什么聚变能如此重要？

近半个世纪以来，聚变能一直是能源生产的“圣杯” 。我相信，虽然 1.5 的增益是一项真正具有历史意义的科学突破，但要使聚变成为一种可行的能源，还有很长的路要走。

虽然 200 万焦耳的激光能量低于 300 万焦耳的聚变产率，但该设施需要近3 亿焦耳才能生产出用于该实验的激光。这一结果表明聚变点火是可能的，但要将效率提高到聚变可以提供净正能量回报的地步，同时考虑到整个端到端系统，而不仅仅是一个激光和燃料之间的单一相互作用。

核聚变的未来是什么？

用于制造强大激光器的机械，如这些前置放大器，目前需要的能量比激光器本身产生的能量要多得多。 劳伦斯利弗莫尔国家实验室

几十年来，科学家们一直在稳步改进聚变拼图的许多部分，以产生这一结果，进一步的工作可以使这一过程更加高效。

首先，激光是1960年才发明的。当美国政府在 2009 年完成国家点火设施的建设时，它是世界上最强大的激光设施，能够向目标提供 100 万焦耳的能量。

它今天产生的 200 万焦耳能量是地球上下一个最强大激光的 50 倍。更强大的激光器和产生这些强大激光器的能量密集度更低的方法可以大大提高系统的整体效率。

聚变条件的维持非常具有挑战性，胶囊或燃料中的任何小缺陷都会增加能量需求并降低效率。科学家们在更有效地将能量从激光传输到碳罐以及将X 射线辐射从碳罐传输到燃料舱方面取得了很大进展，但目前只有大约10% 到 30%的总激光能量被传输到碳罐到燃料。

最后，虽然海水中含有大量的燃料——氘，但氚要少得多。聚变本身实际上会产生氚，因此研究人员希望开发出直接收获这种氚的方法。

同时，还有其他方法可以生产所需的燃料。

在核聚变为您的家庭发电之前，需要克服这些和其他科学、技术和工程障碍。还需要努力将聚变电厂的成本从国家点火装置的 35 亿美元中大大降低。这些步骤将需要联邦政府和私营企业的大量投资。

值得注意的是，围绕核聚变展开了一场全球竞赛，世界上许多其他实验室都在追求不同的技术。但是随着国家点火装置的新结果，世界第一次看到聚变梦想是可以实现的证据。

Carolyn Kuranz 是一名实验等离子体物理学家，也是密歇根大学核工程副教授。她获得了国家核安全管理局和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的资助。她在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的审查委员会任职，并且是聚变能源科学咨询委员会的成员。