燃烧几百亿经费，这篇Science被誉为里程碑突破！

纳米人

2020-12-14

人类从未停止对能源的追逐！

核能，为未来能源赋予了无限想象力。发展核能主要有两种方式：

一种是重元素的核裂变，如铀的裂变；

另一种是轻元素的核聚变，如氘、氚、锂等。

核裂变技术已经得到实际应用，全球各地的核电厂目前几乎都是采用核裂变的方式。然而，核裂变技术工业应用以来，为人类带来了大量的能源的同时，也带来了无限的恐惧，其中以1986年的切尔诺贝利核泄漏事件尤为著名。

图丨切尔诺贝利核泄漏事件

核聚变技术则更加安全，而且相对还很环保。尽管核聚变是一种核子过程，但是它与裂变过程不同，因为核聚变反应不产生放射性副产品，也不会排放碳物种。核反应堆失控也造成的危险相对更小，而且氘、氚，在海洋中都有相当巨大的储藏量，核聚变能源有希望成为一种长期的未来能源。

人造太阳

正所谓，好事多磨。

核聚变反应正在积极研究之中，并未得到实际应用。考虑到核聚变技术的魅力，全世界多个国家都在积极探索核聚变反应，包括美国、英国、法国、日本、中国在内的多个国家都建立了激光核聚变装置，以期点燃聚变反应，产生比激光输入更多的能量。

1994年，由美国国家实验室负责的美国国家点火装置（NIF）正式开工，经过多次延期，在耗资超过35亿美元（2百多亿元人民币）后，终于建成。NIF的目标是在地球上创造“人造太阳”，实现全球首个可持续聚变反应堆。

基本原理如下：

将一束能量为十亿分之一 Joule的激光增强10000倍，然后将这束激光被分成192束。经过了那些似乎没有终点的管道后，这些激光的总能量将增加到原来能量的3000万亿倍，成为拥有180万焦耳能量的脉冲紫外光（相当于美国所有发电厂发电量的1000倍），接着，这些能量聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上，产生1亿度的高温，压力超过1000亿个大气压，进而使重氢核引发核聚变。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在 0.25 美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。

2010年10月，在一座三个足球场大小的建筑里，NIF的研究人员启动了192束激光束，用接近一辆超速行驶的卡车的冲击力将它们的能量聚焦成一个脉冲，并向一颗胡椒粒大小的核燃料芯块发射。这次核聚变产生的能量达到130万兆丰焦耳，打破世界纪录。虽然还没有达到理想的目标，但已经为科学家带来了足够的信念。

图丨人造太阳模拟图。

为了不断突破，研究人员多年来进行了大量的技术改进。

研究人员已经追踪到内爆燃料芯块的能量泄漏：

1）在射击前，一根小管向太空舱注入燃料的位置发生泄漏。为了堵住漏洞，研究小组将管子做得更薄。

2）其他泄漏主要来源于容器的塑料外壳，他们改进了制造工艺，以消除只有百万分之一米的缺陷。

团队研究了20 ns激光脉冲的形状：

为了避免燃料加热过快，早期采用慢慢加大功率的方式，以使其更难压缩。后来他们使脉冲增加得更快，使得塑料容器在压缩过程中与燃料混合的时间更少，这种策略在一定程度上提高了产量。

2017年以来，研究人员正在将腔室和容器扩大20%来提高温度，并增加容器可以吸收的X射线能量。为了增加压力，他们延长了脉冲的持续时间，并从塑料容器切换到密度更大的金刚石容器，以更有效地压缩燃料。

十年磨一剑

在经过10年近3000次射击后，NIF正在接近实现一个重要的里程碑进展，被称为“燃烧的等离子体”:一个反应本身的热维持的聚变燃烧反应，而不是输入的激光能量。自热，是燃烧所有燃料并获得失控能量增益的关键，一旦NIF项目迈进这个门槛，它将有一条更容易点火的道路。

目前，NIF已经能稳定实现接近60 kJ的产量，100KJ也近在咫尺。

研究人员认为，即使在最大压缩量下，也只有燃料的最中心位置才热到足以熔化。但他们欣喜地发现，热点正从聚变反应产生的疯狂运动的氦核或α粒子中获得热量。如果NIF能够再多注入一点能量，它将会引发一波能量从热点地区冲出，燃烧燃料。

还有一些其他技巧也可以尝试。譬如，他们正在测试不同的空腔形状，以更好地将能量集中到容器上。他们正在试验双壁容器，这种容器可以更有效地捕获和转移X射线能量。通过将燃料浸泡在容器内的泡沫中，而不是像冰一样冻结在容器壁上，他们希望形成一个更好的中心热点。每一个技巧，都可以将温度和压力提高到足以维持等离子体燃烧和点火的水平。

如果这都还不能点火，那就必须要提高激光能量了。NIF的研究人员对四条束线进行了升级，并设法获得了能量提升，如果升级适用于所有的光束，将使整个设施接近3 MJ。

图丨NIF。来源：NIF

前途未卜

然而，NIF可能没有那么多时间了。

从2010年到2020年的十年时间里，烧掉无数经费，耗费大量人力物力的同时，“在地球上创造一颗微型恒星”的梦想似乎越来越遥不可及。国会批准的科研经费一直在缩减，炮弹比例从2012年的近60%降至今天的不到30%，以保留更多炮弹用于库存管理，模拟核爆炸的实验，以帮助验证弹头的可靠性。

现在NIF的科学家只有一个最低的要求：保留这个项目就好。

聚变长期以来一直被认为是一种无碳能源，由现成的氢同位素提供燃料，不产生长期放射性废物。

这，仍然是一个遥远的梦想。

但，科学家永远充满信心！