美国研究团队揭秘首次激光核聚变点火细节，下月将再做实验

据悉，美国能源部宣布，由美国政府资助的劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，引发全球关注。实验团队表示，下个月，该实验室将再进行一次激光核聚变实验。实验室主任金.布迪尔(Kim Budil)认为，如果有足够的资金和奉献精神，商业核聚变发电可以在20年左右的时间里得到演示。

　　·“我哭了，那是喜悦的泪水。我的身体开始颤抖，在大家登机前，我在登机口上蹿下跳。每个人看上去都在想，‘那个疯女人在干什么？ ’”

　　·“点火是人们多年来一直在努力实现的里程碑。我担心即使在取得了如此巨大的成就之后，仍有太多的技术障碍——十年时间只是白日梦。”

　　【编者按】2022年12月13日，美国能源部宣布，由美国政府资助的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，引发全球关注。1月15日，美国哥伦比亚广播公司（CBS）推出电视节目《核聚变突破或是迈向未来无限清洁能源的一步》，独家采访了负责此次实验的团队，并近距离拍摄了劳伦斯利弗莫尔国家实验室的核聚变点火装置。下个月，该实验室将再进行一次激光核聚变实验。实验室主任金·布迪尔（Kim Budil）认为，如果有足够的资金和奉献精神，商业核聚变发电可以在20年左右的时间里得到演示。

　　实验室的激光核聚变研究项目负责人塔米·马（Tammy Ma）说，从理论上讲，要实现商业发电，大约每秒要发射激光10次，还要让能量增益提高到100倍左右。纽约大学教授查尔斯·赛弗（Charles Seife）认为，美国总统拜登在十年内实现商业核聚变发电的目标是无稽之谈，“十年时间只是白日梦。”但与赛弗的预言背道而驰的是，有30多家私人公司正在设计各种各样的核聚变能源方法，包括使用磁体而不是激光。在过去13个月里，30亿美元的私人资金流入到这些公司。

　　以下为CBS这期节目的内容，灰色部分为旁白。

　　上个月，离地球最近的恒星在美国加利福尼亚州。在实验室里，世界最大的激光器让氢原子发生核聚变反应，产生能量的方式与太阳相同，尽管只持续了不到十亿分之一秒。但经过60年的辛劳和失败，劳伦斯利弗莫尔国家实验室证明了这是可以做到的。如果核聚变有一天成为商业能源，它将是无限和零碳的，将改变人类命运，但还有很长的路要走。在去年12月的突破之后，我们被邀请参观实验室，并与将恒星能量带到地球的团队见面。

　　不受控的核聚变很容易，在还是黑白电影时期人们就已经掌握了。氢弹就是一种核聚变反应，利用氢原子核聚变释放能量。难的是如何把这种哈米吉多顿大战（《圣经》故事里的善恶大决战）之火变成有用的东西。

　　美国能源部的劳伦斯利弗莫尔国家实验室帮助维持核武器和高能物理实验。在旧金山以东一小时车程的地方，我们在美国国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）这个创造了历史的实验室里，见到了利弗莫尔的主任金·布迪尔。

　　▲美国国家点火装置的靶室，在2022年12月5日，总能量为200万焦耳的192束激光向一个微小的氘氚燃料球汇聚，以实现聚变点火。

　　金·布迪尔（美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任）：美国国家点火装置是世界上最大的也是能量最大的激光装置，始建于20世纪90年代，在实验室创造核聚变条件，而这以前只有在宇宙最极端的天体中才能发生，比如在巨行星的中心、太阳，或是操作核武器时。我们的目标是能够非常详细地研究这种高能量、高密度的条件。

　　劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔。本文图片来源：CBS

　　NIF耗资35亿美元，用于自我维持的核聚变点火。研究人员在13年里尝试了近200次，但就像一辆电池电量不足的汽车，原子“发动机”永远不会发动。

　　CBS记者斯科特·佩利（Scott Pelley）：NIF有一些绰号。

　　金·布迪尔：是的。很多年来都是“不点火装置”（Not Ignition Facility）、“永不点火装置”（Never Ignition Facility），最近是“接近点火装置”。所以，最近成功点火这件事真的让点火成为了NIF的一部分。

　　点火意味着点燃核聚变反应，释放出的能量比激光输入的更多。

　　金·布迪尔：所以如果能让它足够热，密度足够大，速度足够快，并保持足够长的时间，核聚变反应就会开始自我维持。这就是去年12月5日在这里发生的事情。

　　美国国家点火装置的控制室。

　　上个月，控制室发射的激光将两个单位的能量注入实验，原子开始聚变，大约三个单位的能量释放出来。实验室的激光核聚变研究项目负责人塔米·马（Tammy Ma）在等飞机时接到了电话。

　　塔米·马（劳伦斯利弗莫尔国家实验室激光核聚变研究项目负责人）：我哭了，那是喜悦的泪水。我的身体开始颤抖，在大家登机前，我在登机口上蹿下跳。每个人看上去都在想，“那个疯女人在干什么？”

　　塔米·马对工程非常着迷。

　　向激光器输送能量的管子。

　　她向我们展示了为什么核聚变问题会让任何人流泪。首先，这些比足球场还长的管子里的激光输送了所需的能量。

　　斯科特·佩利：总共有多少个？

　　塔米·马：总共192束激光。

　　斯科特·佩利：每一束激光都是世界上能量最大的，而总共有192束激光。

　　塔米·马：这很酷，对吧？

　　实际上温度很高，有几百万度。这就是为什么要用钥匙来锁住激光器。激光束撞击产生的能量是整个电网的1000倍。当电发射时家里的灯不会熄灭，因为电容器储存了电力。激光束发射时通过来回运动而放大，闪光只有一刹那。

　　塔米·马：我们必须达到这些不可思议的条件：比太阳中心更热，密度更大，所以我们需要所有的激光能量来达到非常高的能量密度。

　　所有的冲击力使一个小到几乎看不见的靶丸蒸发。

　　激光冲击的靶丸。

　　斯科特·佩利：我能拿着看看吗？

　　迈克尔·斯塔德曼（Michael Stadermann，劳伦斯利弗莫尔国家实验室激光核聚变目标制造项目经理）：当然。

　　斯科特·佩利：难以置信。太神奇了。

　　迈克尔·斯塔德曼的团队制造了空心靶壳，在零下430度的温度下装入氢。

　　迈克尔·斯塔德曼：制造这些空心靶壳所需要的精度是极端的，它们几乎是完美的圆形，平滑度比镜子好上一百倍。

　　迈克尔·斯塔德曼的团队制造了空心靶壳。

　　如果它不比镜子更光滑，缺陷就会使原子内爆不均匀，导致核聚变失败。

　　斯科特·佩利：所以需要尽可能地接近完美。

　　迈克尔·斯塔德曼：对，没错。我们确实认为它们是地球上最完美的物品之一。

　　迈克尔·斯塔德曼的实验室通过蒸发碳并用钻石制成外壳来追求完美。他们一年生产1500个，让150个近乎完美。

　　迈克尔·斯塔德曼：所有的组成部分都被放在显微镜下，然后用机电平台把零件放到它们应该在的地方，把它们组装到一起，然后我们用毛发涂胶水。

　　斯科特·佩利：毛发？

　　迈克尔·斯塔德曼：是的，通常像睫毛或类似的东西，或是猫须。

　　斯科特·佩利：你用猫须涂胶水？

　　迈克尔·斯塔德曼：没错。

　　斯科特·佩利：为什么靶丸一定要那么小呢？

　　迈克尔·斯塔德曼：激光只能提供有限的能量，而要驱动一个更大的容器，我们需要更多的能量，所以这是一个对设施的限制，你看到了，设施已经非常大。尽管它很大，但这是我们能用它驱动的东西。

　　斯科特·佩利：靶丸可以更大，但激光也必须更大。

　　迈克尔·斯塔德曼：没错。

　　去年12月5日，他们用了一个更厚的靶丸，这样可以更长时间保持形状，他们想出了如何在不损坏激光器的情况下提高激光发射的功率。

　　塔米·马：这是激光发射前的一个靶丸。

　　一个完整的靶组件。

　　塔米·马给我们看了一个完整的靶组件，钻石壳就在那个银色圆柱体里。

　　真空室。

　　这个组件进入一个三层楼高的蓝色真空室。这里很难看到，因为布满了激光器和仪器。

　　被称为“但丁”的仪器。

　　研究人员把仪器称作“但丁”（Dante），因为它测量的是地狱之火。一位物理学家说，“你应该看看我们12月5日冲击的靶。”

　　我们不禁要问：“我们可以吗？”

　　斯科特·佩利：你以前见过这个吗？

　　塔米·马：这是我第一次见。

　　去年12月5日的实验中被击中的靶组件残骸。

　　对于塔米·马和全世界来说，这是第一次看到改变历史的靶组件残骸——一个像贝尔的第一个电话或爱迪生的灯泡一样的人工制品。

　　斯科特·佩利：这个东西最终会进史密森尼博物馆。

　　靶的圆筒被炸得无影无踪，支撑圆筒的铜支架也被剥开了。

　　斯科特·佩利：最后的爆发比太阳还热。

　　塔米·马：比太阳中心的温度还要高。我们能够达到整个太阳系中最高的温度。

　　这将使电力产生巨大变化。与今天将原子分离开来的核电站不同，核聚变的威力要大很多倍，几乎没有长期辐射。而且很容易关闭，所以不会发生熔毁。但是从第一次点火到建立发电厂将是困难的。

　　斯科特·佩利：一天要发射激光多少次？

　　塔米·马：我们平均每天要发射一次多一点。

　　斯科特·佩利：从理论上讲，如果这是一个商业发电厂，每天需要发射多少次？

　　塔米·马：大约每秒10次。当然，这是另一个巨大挑战，不仅仅是提高重复率。还要让能量增益提高到100倍左右。

　　实验室的激光核聚变研究项目负责人塔米·马。

　　这种反应不仅要产生100倍以上的能量，而且一座发电厂每天需要900000个完美的钻石壳，激光效率也要高得多。还记得去年12月的突破吗？输入两个单位的能量，输出三个单位的能量。发射激光需要300个单位的能量。按这个标准，是300个单位的能量输入，3个单位的能量输出。在美国能源部去年12月的新闻发布会上，这一细节并不是重点。发布会将新进展与一个不太可能的时间表结合在一起。

　　美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）在新闻发布会上：今天的声明是总统提出的十年内实现商业核聚变目标的一大步。

　　斯科特·佩利：当你听说拜登总统的目标是在十年内实现商业核聚变发电时，你是怎么想的？

　　查尔斯·赛弗（Charles Seife，纽约大学教授）：我认为这是无稽之谈。

　　查尔斯·赛弗是一位训练有素的数学家、科学作家和纽约大学教授。