基本介紹
一個毫米級燃料膠囊,背景,點火條件苛刻,實現飛躍,點火之路還很長,法國提出的點火途徑,
一個毫米級燃料膠囊
背景
美國國家點火裝置（NIF），位於加利福尼亞州的雷射核聚變裝置，得到了一些讓核聚變科學家歡欣鼓舞的結果。在2013年底進行的一系列實驗中，NIF研究人員獲得的能量輸出是之前記錄的10倍，並且演示了自動加熱現象。自動加熱是一種自持燃燒反應，所產出的能量多於消耗的能量，如果核聚變要達到其最終目標--“點火”，這至關重要。
“這是非常有意義的研究成果，是邁向更高收益的良好起點。”英國倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心的Steven Rose說。這標誌著核聚變能源將步入新時代。
位於勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的NIF致力於通過熔合氫的兩種同位素氘和氚的原子核，再造太陽和氫彈的能量源。科學家通過利用全世界最高能的雷射將氘和氚的原子核加熱到極高的溫度和壓力，以便它們有足夠的能量戰勝自然的相互排斥力，最終碰撞在一起。
2009年，相關設備裝配完成後，NIF研究人員開始了一個為期3年的“競賽”，以實現儘快點火。但是，當第一個3年結束時，他們距離設定的目標還很遠。於是，美國國會資助該實驗室啟動了另一個3年計畫，進行更多的調查性研究，並確定問題之所在。
2014年刊登在《自然》和《物理評論快報》上的新研究成果是證明該方法有效的首個標誌。“這是一個無可挑剔的結果。”美國羅切斯特大學雷射能量實驗室主任Robert McCrory說。但他還表示，NIF離點火仍然很遠。“那些期待突破性進展的人們可能很快將會失望。”McCrory說。
點火條件苛刻
為了達到核聚變所必需的極端條件，國際熱核聚變實驗堆（ITER）等一些設備使用高能磁場束縛燃料，並利用粒子束進行加熱。NIF則採用一個不同的方法：利用雷射脈衝爆炸微小燃料樣本，從而產生小型核聚變激增。如果一切正常，爆炸將產生比雷射脈衝更高的能量，實現淨能量增益。NIF雷射器約有一個露天足球場大小，能夠產生192支紫外線光束，在持續1納秒的一個脈衝中能夠傳遞1.9兆焦能量，大約相當於一輛2噸卡車每小時行駛160公里的動能。
紫外線光束能夠轉變成X射線，然後襲擊燃料膠囊——一個比花椒略小的中空塑膠球，能容納0.17毫克凍結的氘和氚。強烈的X射線脈衝擊中燃料膠囊後能引起一些塑膠發生爆炸；這也迫使剩餘的塑膠和凍結的燃料向中心高速聚攏。如果一切按計畫進行，結果是核聚變燃料小球的狀態是5000萬開爾文、鉛密度的100倍，足夠的熱量和密度能引發核聚變反應。
NIF最初的點火計畫主要依賴利弗莫爾國家實驗室和其他實驗室的早期工作。NIF科學家曾經點燃其燃料球，並且整個過程似乎能夠正常運轉，模擬結果也顯示NIF將能實現一些核聚變。但這些設備講述了一個不同的故事：能量輸出非常低。
2012年，國會進行了相關調查工作，最終指責NIF研究人員未能解釋模擬數據和實驗數據之間的分歧。2013年，NIF科學家開始更系統地探索問題的所在，並且實驗室更換了新領導人，也有新科學家加盟該隊伍。
最終，他們認為存在兩個主要問題。燃料芯塊壓縮時常出現不對稱情況，並產生一個環形的燃料團。而在內爆時，塑膠膠囊會發生爆炸，並與燃料混合在一起，使其最終難以引發核聚變。
實現飛躍
為了解決具體問題，新研究隊伍使用192支雷射束，在不同地方實施不同的照射力度，以期獲得更均勻的內爆。為了避免塑膠膠囊解體，研究人員還調整了雷射脈衝時間。
一般而言，20納秒內，科學家一開始主要使用低功率雷射進行轟擊，以便在未加熱燃料的情況下促使內爆移動，最後雷射以突然的高功率引發核聚變。這種“低起步”方法背後的理論是，冷燃料最終將被壓縮到更高的密度。但缺點在於較低的速度使得膠囊有時間爆炸。美國海軍研究實驗室等離子物理學部雷射等離子分部主任Stephen Obenschain表示，在低功率雷射衝擊下，“有太多有害的事情可能出現，你無法看到發生了什麼”。
NIF新研究小組決定嘗試使用初始能量就稍高的雷射脈衝進行轟擊，以便燃料更快地出現內爆，並且在15納秒之後就更快地結束脈衝。儘管這樣的“高起點”最終將無法獲得那么高的密度，但是研究人員希望這種方法能有助於控制燃料的混合。
2014年8月13日進行的一次雷射轟擊實驗證明他們的想法是正確的，並且實現了能源輸出量的飛躍。9月27日和11月19日進行的另外兩次實驗得出的結果甚至更好，產生的能量（14.4千焦和17.3千焦）比內爆過程中沉積在核聚變燃料里的能量（11千焦和9千焦）更多。
這是有史以來第一次在雷射核聚變實驗裡實現這樣的能量輸出。NIF研究小組負責人Omar Hurricane在新聞發布會上表示：“相比之前的實驗，我們向後退了一步，而這讓我們向前邁出了一大步。”
重要的是，該研究小組還看到了對於提高核聚變收益至關重要的自動加熱現象。核聚變反應能夠產生阿爾法粒子（氦核）和中子，當核聚變反應在燃料核心處開始發生時，阿爾法粒子能幫助將周圍更冷的燃料加熱到反應溫度。NIF研究小組認為，在最成功的雷射轟擊實驗中，阿爾法粒子加熱使核聚變收益加倍。“阿爾法粒子確實能夠加熱氣體。”Rose說。
觀察者還注意到，在2014年進行的相關實驗裡，模擬數據和實驗結果幾近一致。“這非常鼓舞人心。”NIF前主任、目前供職於聖地亞國家實驗室的Michael Campbell說。“現在他們能在某種程度上信任模擬結果，這在之前是無法做到的。”Rose說。
點火之路還很長
但是與相關實驗距離大部分核聚變研究人員理想中真正的“收益”仍然很遠：核聚變輸出能量高於雷射輸入能量。儘管實驗中核聚變反應釋出的能量比燃料（用於引發核聚變反應）吸收的能量多，但大量雷射脈衝的能量消耗在了從紫外線到X射線的轉化過程中。去年最佳實驗產生了只有不到1%的雷射脈衝能量。
人們對NIF研究小組現在應該做什麼的問題存在分歧。McCrory不認為目前的方法最終能成功“點火”，人們還需要更多創新。Rose表示贊同：“我不確定他們有獲得真正收益的方法。”
問題在於，研究人員仍要減少最終壓力來控制內爆過程中的燃料混合，而現在他們必須再次增加壓力，使得燃料密度足夠大到出現高收益。“是的，我們自己限制了自己來實現這種控制。”Hurricane說，“這是一個起點。現在我們需要嘗試走向不同的方向。”
儘管存在不確定性，研究人員仍然備受NIF新進展的鼓舞。“這些是正確的實驗，誰知道他們可以藉此走多遠呢?”Campbell說。
法國提出的點火途徑
在NIF與LMJ的武器研究實驗中，研究人員通過把燃料膠囊包裹在一個金屬殼中間接向內引爆膠囊，這種金屬殼可以通過雷射加熱，反過來再用X光炸裂膠囊。這種方法具有一些優勢，它可以使雷射束的瑕疵變得平滑，而且X光在向內爆破過程中比紫外線更具優勢，但是它卻使目標變得複雜與昂貴，這不是科學家想要的產生能量的方式。NIF研究人員也曾努力讓這一方式發揮作用，但能量在轉化成X光的過程中丟失了，而且向內爆破進展得也不順利。
IEF武器實驗室外的研究人員想通過不同的方式解決問題。通過清除掉金屬殼，並把雷射束直接對準膠囊，可以避免複雜性以及把紫外線轉化成X光時的能量丟失。為了得到平滑、對稱的向內爆破，很多科學家建議以較慢的速度推動這一過程。但這樣一來壓縮燃料又不能加熱到足夠高的溫度讓核燃料自行運轉；仍需要另外的點火裝置啟動聚變堆。
一種可能解決的辦法是快速點火，日本大阪大學是該領域的先驅，該方法是利用快速、高能量雷射脈衝來點火——PETAL可以製造這種脈衝。過去十年，IFE研究人員提出了建設一個以快速點火為基礎的示範性IFE反應堆“HiPER”。然而，由於NIF遠未達到點火的能力，該計畫就沒有了動力，但其支持者希望通過LMJ—PETAL組合給予其新動力。
2015年1月，在功率相對較低的裝置上的實驗已經表明，PETAL或許不能發出猛烈一擊來觸發快速點火。但紐約羅切斯特大學引導的另一項選擇或許可以挽救困局。這種名為“衝擊點火”的技術像其他技術一樣，也是用來自主雷射器的雷射脈衝擠壓燃料膠囊。但是在擠壓最後，雷射會突然增加能量，產生一種衝擊波，並傳遞至燃料中心。當衝擊波抵達反應堆中央時，突然增加的壓力可以激活反應堆。“通過Omega裝置（羅切斯特大學的雷射器）所做的實驗和其他地方的一些實驗都很鼓舞人心，在這個階段（衝擊點火）所需要的雷射條件看起來比快速點火更有前景。”英國中央雷射研究所核聚變研究人員Chris Edwards說。
在通過LMJ-PETAL裝置實現核聚變能的過程中，研究人員還面臨來自社會與政界的挑戰。歐洲的IFE科學圈相對較小，此前並未經歷過規模如此大的裝置或武器安全實驗室類的項目。“單是LMJ看起來似乎就像一座沙漠中的教堂。”Batani說，“研究人員對它很感興趣，但是同時持懷疑態度。很多人不相信它是有助於科研的工具。”而且CEA還需要克服其不情願與學術界研究人員分享模擬代碼的問題，他們害怕這樣做可能會幫助“流氓國家”研究熱核武器。Batani說，“我們需要可靠的模擬實驗，但卻沒有開放的代碼。”而且歐洲傳統上聚焦於另一種不同的研究方法——磁約束核聚變，這種方法也有其代表性裝置：即在法國卡達拉奇正在建設的花費數十億歐元的國際熱核實驗反應堆（ITER）。
“如果LMJ的衝擊點火方法可行，政治家的態度就會變得更加積極。” Batani說。而在核聚變領域一直處於下風的歐洲可能也會因此變得揚眉吐氣。
