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美國國家點火裝置在無限聚變能源的道路上邁出了一大步

2021-08-19 11:35:30 來源：中國科學(xué)報

NIF的192束激光束進入一個橡皮擦大小的金圓柱體，從內(nèi)部加熱產(chǎn)生X射線，使燃料艙內(nèi)爆，產(chǎn)生核聚變。

近日，美國國家點火裝置（NIF）在無限聚變能源的道路上邁出了一大步。一束激光在一個胡椒粒大小的燃料容器中引發(fā)核聚變爆炸，產(chǎn)生了1.35兆焦耳（MJ）能量——大約相當于一輛時速160公里的汽車的動能。這一能量達到觸發(fā)該過程的激光脈沖能量的70%，意味著接近核聚變“點火”，即反應(yīng)產(chǎn)生的能量足以使反應(yīng)持續(xù)下去。

羅切斯特大學(xué)激光能量學(xué)實驗室主任、物理學(xué)家Michael Campbell表示，NIF的最新成果“證明了少量能量使少量質(zhì)量內(nèi)爆，就可以實現(xiàn)核聚變”。

為恒星提供能量的核聚變使小原子核融合成更大的原子核，釋放出大量能量，但核聚變所需的熱量和壓力在地球上很難實現(xiàn)。即便如此，由于能提供豐富的清潔能源，核聚變一直備受關(guān)注。然而，目前還沒有項目能實現(xiàn)產(chǎn)生的能量超過引起反應(yīng)所需的能量。

NIF的方法被稱為慣性約束聚變，它使用一個巨大的激光器，在幾個橄欖球場大小的設(shè)施中產(chǎn)生192束激光束，這些激光束在20納秒內(nèi)以短暫、強大的脈沖（1.9MJ）聚焦于目標。研究人員希望將盡可能多的能量注入目標容器—— 一個裝在橡皮擦大小圓柱體內(nèi)的小球體，里面充滿了氘和氚。

當X射線脈沖在容器中引發(fā)內(nèi)爆，把聚變?nèi)剂献兂梢粋€溫度高、密度大的小球時，便觸發(fā)核聚變。理論上，如果這種微小的核聚變爆炸能以每秒10次左右的速度觸發(fā)，那么發(fā)電廠就可以收集能量并發(fā)電。

今年早些時候，NIF團隊對實驗過程進行了改進，實現(xiàn)了幾次能量達100千焦（kJ）的反應(yīng)。NIF最終創(chuàng)造了一個“燃燒的等離子體”，并向聚變反應(yīng)本身為更多聚變提供熱量這一目標邁進。近日，一次反應(yīng)產(chǎn)生了驚人的1.35MJ能量。“這是一個全新的開始。”負責運行NIF的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室核聚變項目負責人Mark Herrmann說。

但研究人員表示，究竟是哪些改進產(chǎn)生了最大的影響，仍需要一段時間才能弄清楚。同時，離實現(xiàn)核聚變發(fā)電廠的構(gòu)想還有很長的路要走。Campbell說：“在實驗室里進行核聚變已經(jīng)非常困難，要經(jīng)濟地獲得核聚變動力就更難了。”

標簽：國家點火裝置無限聚變能源燃料容器核聚變爆炸