長三角G60激光聯盟導讀
據悉，華盛頓—美國能源部(DOE)和能源部下屬的國家核安全管理局(NNSA)宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)取得了聚變點火的成就，這是幾十年來的一項重大科學突破，將為國防進步和清潔能源的未來鋪平道路。12月5日，LLNL國家點火裝置(NIF)的一個團隊進行了歷史上第一個受控聚變實驗，以記錄這一里程碑，也被稱為科學能量盈虧平衡，這意味著它從聚變中產生的能量比用於驅動它的激光能量更多。這一史無前例的壯舉將為支持NNSA的庫存管理計劃提供前所未有的能力，並將為清潔聚變能源的前景提供寶貴的見解。
研究人員首次從核聚變中產生的能量超過了用於驅動核聚變的能量，有望在清潔能源和核武器管理方面取得進一步的發現。
U.S. Department of Energy美國能源部(DOE)
National Nuclear Security Administration美國國家核安全管理局(NNSA)
Lawrence Livermore National Laboratory勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)
National Ignition Facility美國國家點火裝置（NIF）
美國能源部長Jennifer M. Granholm說:「對於國家點火裝置的研究人員和工作人員來說，這是一個里程碑式的成就，他們一直致力於見證聚變點火成為現實，這一里程碑式的成就無疑將激發更多的發現。」「拜登-哈里斯政府致力於支持世界級科學家，比如NIF的團隊，他們的工作將幫助我們解決人類最複雜和緊迫的問題，比如提供清潔能源來應對氣候變化，以及在不進行核試驗的情況下保持核威懾力量。」
圖示：LLNL國家點火裝置的實驗室，在2022年12月5日，192束激光束向一個微小的燃料球傳遞了超過200萬焦耳的紫外線能量，以產生聚變點火。
「我們已經對核聚變有了一個多世紀的理論理解，但從了解到實踐的過程漫長而艱巨。總統的首席科學技術顧問、白宮科學技術政策辦公室主任阿拉蒂·普拉巴卡爾博士說:「今天的里程碑表明，只要堅持不懈，我們可以做到。」
美國參議員亞歷克斯·帕迪拉(CA)說:「這一重大的科學突破是清潔能源未來的里程碑。」「雖然在利用核聚變能源的潛力方面還有更多的工作要做，但我為加州科學家繼續在開發清潔能源技術方面走在前列感到自豪。我祝賀勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家們對清潔能源未來的貢獻，我致力於確保他們擁有繼續這項重要工作所需的所有工具和資金。」
「這是一件大事。我們可以慶祝國家點火裝置又創造了一項性能記錄。這一最新成就尤其引人注目，因為NIF使用了比2021年8月實驗中更不對稱的目標，」美國眾議員佐伊·洛夫格倫(CA-19)說。「這一重大進展展示了聚變能源商業化的未來可能性。國會和政府需要充分資助並適當實施最近的CHIPS和科學法案中的聚變研究條款。在第二次世界大戰期間，我們精心策划了曼哈頓計劃，以便及時取得成果。當今世界面臨的挑戰比過去更大。我們必須加倍努力，加速研究，探索核聚變所帶來的清潔、無限能源的新途徑。」
圖示：在LLNL的國家點火裝置，用於實現點火的低溫靶空腔。凹陷的表面散射雜散光，以防止損壞激光。連接一個低溫冷卻器(最右邊)，電線連接到加熱器和感測器。
什麼是核聚變?
聚變描述了輕原子的原子核(如氫原子)克服使它們分開的排斥靜電力時發生的事情。當原子核足夠接近時，將質子和中子結合在一起的力，即強力，會接管並將原子核拉得更近，這樣它們就會「融合」成一個新的、更重的氦核，有兩個中子和兩個質子。
氦核也被稱為阿爾法粒子，其質量略小於兩個氫核質量之和，根據愛因斯坦著名的公式E=mc2，質量差以能量的形式釋放出來。能量以阿爾法粒子、高能中子和其他形式的能量如電磁輻射的形式釋放出來。
核聚變不同於核裂變，後者是鈾等重元素的原子核分裂，形成兩種較輕的元素——這一過程被應用於今天的核電站。在這兩種核反應中，元素本身都會發生變化，變成新的元素——在這個過程中，少量的質量轉化為大量的能量。
圖示：在聚變反應中，氫的兩種同位素，氘(含有一個中子和一個質子)和氚(兩個中子和一個質子)的原子核，在極端的溫度和壓力下被迫聚在一起，聚變形成氦核。在這個過程中，一部分氫的質量以能量的形式釋放出來。
什麼是點火?
當目標膠囊中心熱點的聚變反應產生的α粒子的加熱功率克服x射線損失、電子傳導和內爆膨脹的冷卻效應時，就會發生聚變點火，從而在聚變燃料中引起自熱反饋迴路和能量輸出的爆炸性放大。NIF的目標是通過核聚變產生與傳輸到目標的激光能量相同或更多的能量。這將通過創造一個「燃燒等離子體」來實現，在這個等離子體中，聚變反應的燃燒波傳播到熱點周圍的冷燃料中。在這個被稱為α加熱的過程中，α粒子擴散到整個冷燃料中，儲存它們的能量，刺激額外的聚變反應，並大大提高產量。
如果在高密度的燃料層中有足夠多的α粒子被「停止」或被吸收，高密度的燃料溫度就會高到足以引發自維持的熱核反應，導致點火。對科學來說，實現點火將是一個前所未有的、改變遊戲規則的突破，並可能有助於為世界開發一種新的無限清潔能源奠定基礎。
圖示：激光束照射形狀像橄欖球的NIF空腔的偽彩色插圖，並持有一個鋁製燃料膠囊，這是NIF系統上正在探索的幾個新目標設計之一。激光束通過激光入口孔進入空腔，撞擊空腔內部產生x射線。激光束被布置在兩個圓錐體中——一個內圓錐體指向空腔的腰部，一個外圓錐體指向靠近兩端的位置。當一個自我維持的聚變反應產生的能量超過傳遞到目標的激光能量時，就實現了點火。
LLNL的實驗超過了聚變閾值，向目標傳遞了2.05兆焦耳(MJ)的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能輸出，首次證明了慣性聚變能(IFE)的最基本科學基礎。要實現簡單、負擔得起的家庭和企業用電所需的IFE，仍然需要許多先進的科學技術發展。能源部目前正在美國重新啟動一個基礎廣泛、協調一致的IFE項目。再加上私營部門的投資，核聚變的商業化進程將有很大的動力。
核聚變是兩個輕核結合形成一個重核，釋放大量能量的過程。在20世紀60年代，LLNL的一群先驅科學家假設，激光可以在實驗室環境中用於誘導聚變。由物理學家John Nuckolls領導，他後來在1988年至1994年擔任LLNL主任，這一革命性的想法成為慣性約束核聚變，開啟了60多年在激光、光學、診斷、目標製造、計算機建模和模擬以及實驗設計方面的研究和開發。
為了實現這一理念，LLNL建造了一系列日益強大的激光系統，從而創建了世界上最大、能量最大的激光系統NIF。NIF位於加州利弗莫爾的LLNL，有一個體育場那麼大，它使用強大的激光束來創造溫度和壓力，就像恆星和巨行星的核心，以及爆炸的核武器內部一樣。
圖示：為了產生聚變點火，國家點火裝置的激光能量在空腔內轉換成x射線，然後壓縮燃料膠囊，直到它內爆，產生高溫高壓等離子體。
圖示：此圖形顯示了一個典型的間接驅動目標配置。在中間的圖形中，激光束(藍色)通過不同角度的激光入口孔進入空腔。左上角的餅圖顯示了金剛石(高密度碳或HDC)燒蝕器內爆中材料的徑向分布和尺寸。在左下方，顯示了時間激光功率脈衝形狀(藍色)和相關的空腔輻射溫度(綠色)。在右側，在空腔的中心，囊泡沐浴在x射線中，這消融了囊泡的外表面。產生的壓力使膠囊內爆，壓縮並加熱聚變燃料。
創造能源記錄
圖示：NIF研究人員在實現超過1.3兆焦耳(MJ)的產量後，在聚變點火上，比NIF 2018年的創紀錄產量提高了25倍
自從第一次NIF激光發射以來，科學家們已經創造了中子產量和產生的能量的記錄。自NIF實驗開始以來，中子產量呈指數級增長;更多的能量被耦合到目標膠囊;內爆速度增加;而內爆中心的壓力要高很多倍。結果是能量產量穩步增長，並在2021年8月8日達到頂峰，當時NIF實驗產生了超過1.3兆焦耳(MJ)的產量，是2018年創下的紀錄產量的25倍。
NIF也在2018年5月創造了歷史，當時它向目標室發射了創紀錄的2.15 MJ的紫外線能量，比NIF的1.8 MJ的設計規格提高了15%，比NIF之前在2012年3月創下的1.9 MJ的能量記錄高出了10%以上。
而且，在實驗室環境中，最近的NIF實驗第一次實現了α加熱——當α粒子在冷燃料中刺激額外的聚變反應所產生的能量超過了內爆所傳遞的動能。當聚變產生的阿爾法粒子的能量沉積對燃料的加熱貢獻超過50%時，燃燒的等離子體就實現了，最近的實驗超過了這個閾值。
如果能得到更好的控制，隨著其他問題的解決，這一過程最終將導致核聚變點火。
研究人員現在準備在保持對稱控制的同時，通過將更多的激光能量耦合到膠囊中，進一步提高NIF的性能。我們還在尋求一些策略，比如新穎的空腔設計;大的膠囊;磁化目標;膠囊加工、安裝和填充的新方法;增加了激光能量。
我們的進步歸功於前幾代LLNL科學家和工程師數十年的卓越工作，他們將高能量密度和ICF科學領域推進到今天。LLNL的新一代研究人員(如下圖所示)。
新的理解
雖然在NIF上實現點火已被證明，但我們在每次實驗中都對過程有了新的理解。從模擬的局限性中吸取了重要的經驗教訓，並利用這些知識來解決問題，不斷提高內爆性能。
特別是，高解析度3D建模和模擬有助於更好地理解干擾源，包括干擾內爆性能的「工程特徵」，如懸浮在空腔內的目標膠囊的薄膜和用於向膠囊中注入燃料的填充管。其他抑制能量產生的因素是激光等離子體和流體動力學的不穩定性，驅動內爆的空腔x射線通量的不對稱，以及膠囊材料與燃料的混合。
增加創新和強化診斷，如多個視距中子探測器，也導致了目標性能的提高。新型高性能超級計算機和強大的「深度學習」技術能夠處理、分析和模擬由這些診斷在大範圍擾動源(膠囊表面缺陷、工程特徵、驅動器不對稱)上產生的3D數據，這大大提高了模擬與實驗結果匹配的能力。
與此同時，每一次點火實驗都推動了確保國家核儲備可靠性的科學發展，以及核聚變作為一種安全、清潔和幾乎無限的能源的最終使用的實現。
LLNL主任Kim Budil博士說:「在實驗室中追求聚變點火是人類有史以來解決的最重大的科學挑戰之一，實現這一目標是科學、工程的成功實現，最重要的是人類的勝利。」
美國參議院多數黨領袖查爾斯·舒默(紐約州)表示:「這一驚人的科學進步將我們推向一個不再依賴化石燃料，而是由新的清潔聚變能源驅動的未來。」「我讚揚勞倫斯利弗莫爾國家實驗室及其在我國慣性約束聚變(ICF)計劃中的合作夥伴，包括紐約羅切斯特大學激光能量學實驗室，他們實現了這一突破。要讓這個未來的清潔能源世界成為現實，需要我們的物理學家、創新工作者和包括羅切斯特激光實驗室在內的美國能源部資助機構的優秀人才，加倍投入他們的前沿工作。這就是為什麼我今天也自豪地宣布，我已經幫助ICF項目在今年的國防授權法案中獲得了有史以來最高的超過6.24億美元的授權，以支持在這一驚人的突破上。」
「經過十多年的科學和技術創新，我祝賀勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和國家點火裝置的團隊取得了歷史性的成就，」美國參議員黛安·范斯坦(CA)說。「這是核聚變領域令人興奮的一步，勞倫斯利弗莫爾和NIF的每個人都應該為這一里程碑式的成就感到自豪。」
「這是一項歷史性的創新成就，建立在利弗莫爾幾代科學家的貢獻之上。今天，我們的國家站在他們的肩膀上。還有很長的路要走，但這是關鍵的一步，我讚揚美國能源部和所有為這一突破做出貢獻的人，這將有助於為美國和人類創造一個更光明的清潔能源未來，」參議院軍事委員會主席、美國參議員傑克·里德(RI)說。
文章來源：
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
https://lasers.llnl.gov/science/pursuit-of-ignition
長三角G60激光聯盟陳長軍轉載
