我们在地球上之所以能看到阳光、感受到温暖，都是源自于发生在太阳核心的核聚变。核聚变指的是当原子合并在一起时，释放出巨大能量的过程，这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下，源源不断地提供绿色能源。出于这样的原因，一直以来，物理学家都希望能够在地球上建造这样一个“迷你太阳”。然而在实验室里实现核聚变是非常困难的事，一个重大的挑战就是“点火”。
我们的太阳。｜图片来源：NASA
“点火”指的是聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻。具体来说，在聚变反应堆中，一旦达到合适的条件，聚变反应就会释放出一些粒子，其中包括阿尔法粒子，这些粒子会与周围的等离子体发生相互作用，进一步加热等离子体，加热后的等离子体会释放出更多的阿尔法粒子，以此类推，形成一个能够自我维持的反应。
然而，尽管相关的研究已经持续了数十年，但这样的过程之前未完全实现过，我们仍处于能量“入不敷出”的情况——需要耗费更多的能量才能使聚变反应进行并维持下去。
2021年8月8日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）进行了一项新的实验。NIF的科学家团队重现了存在于太阳核心的极端温度和压力，首次接近达到触发核聚变中的“点火”（ignition）的阶段，朝着在地球上实现核聚变的目标迈进了一大步。
NIF采用一种被称为惯性约束聚变的受控热核聚变方法。这是一种利用激光对氢燃料丸（核聚变反应的燃料）进行压缩，使氢聚变成更重的元素（比如氦）并释放出大量能量的过程。NIF使用了一台巨大的激光器，这个激光器被装载在一个有着三个足球场大的设备中，能够产生192束激光束。
这些激光束在20纳秒的时间内，以短暂、强大的脉冲聚焦在一个小小的燃料丸上，其目的是将尽可能多的能量注入到燃料丸中。燃料丸中充满了氢的重同位素——氘和氚，这些同位素更容易聚变并产生更多的能量，它们会被加热和加压到与太阳核心条件接近的情况。
充满了氘和氚的小球体被装在一个橡皮擦大小的金圆柱体容器内。当黄金蒸发，产生X射线脉冲，燃料丸就会爆聚（implosion），使核聚变燃料成为一个高温的、致密的小球，足以点燃核聚变。
国家点火装置的192束激光束进入一个橡皮擦大小的金圆柱体，从内部加热产生X射线，然后在其中心使燃料舱爆聚，产生核聚变。｜图片来源：LLNL
早期，NIF每次只能产生约1千焦的能量。通过改进实验装置，去年他们成功地产生了100千焦的能量。其中主要的改进工作包括消除一些微型碰撞和燃料丸表面的坑，减少燃料丸上的用于注入燃料的孔的大小，减少金属圆柱形容器上的孔隙从而让更少的能量逃逸，并延长激光脉冲的时间从而让驱动燃料的时间变得更长。
在今年早些时候，NIF团队通过以各种方式结合这些改进，创下了好几次超过100千焦的记录，其中一次达到了170千焦。这个结果表明，NIF最终创造出了一个“燃烧的等离子体”，聚变反应本身为更多的聚变提供了热量。
最后，在最新的实验中，一个惊人的记录产生了。NIF的强大的激光脉冲（1.9兆焦）引发了燃料丸的核聚变爆炸，产生了超过1.3兆焦的能量——这是该设备自建成以来所产生的最高能量的8倍，它达到了触发它的激光脉冲的能量的70%，成为了最接近“点火”的实验。
2021年8月8日，NIF的一项实验突破记录，接近了聚变的点火阶段，实现了1.3兆焦以上的能量产率。｜图片来源：John Jett / LLNL
这一能量对所有人来说都是一个惊喜，它比之前的任何惯性约束聚变实验所产生的能量都高。研究人员认为，这样的结果为今后产生比更多能量的反应铺平了道路，它证明了“点火”并非是不可能的。
虽然，NIF的最新实验所需的能量输入仍然比能量输出更多，但它是首个疑似达到关键的“点火”阶段的实验，是非常令人兴奋的突破。它证明了少量的能量，少量的质量爆聚，就可以实现核聚变。这样的结果鼓舞了这一领域进行了多年尝试的物理学家们，他们相信接下来还将抵达更多的更高能量里程碑。
这一结果是惯性约束聚变研究向前迈出的历史性一步，NIF的激光创造了地球上最极端的条件。他们在试图完美复制太阳中心的条件，使物理学家能够研究过去在实验室中无法创造的物质状态，比如在恒星和超新星中发现的物质。这将有助于物理学家探索宇宙中的一些最极端状态的条件，比如大爆炸后几分钟的情况。
在最新实验中，有几个改进同时被调整了。目前，研究人员还尚不清楚究竟哪些改进导致了发挥了最大的作用，这需要进行更长一段时间的研究才可能弄清楚。
#创作团队：
编译：二宗主
#参考来源：
https://www.imperial.ac.uk/news/228373/major-nuclear-fusion-milestone-reached-ignition/
https://www.sciencemag.org/news/2021/08/explosive-new-result-laser-powered-fusion-effort-nears-ignition
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition
发表于 2021-8-21 10:14
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