編者按：自1972年Nuckolls等人首次提出慣性約束聚變 (ICF) 的想法以來(lái)，慣性聚變界一直致力于突破點(diǎn)火判據(jù)。2021年8月8日，Lawson點(diǎn)火判據(jù)終于在北加州國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)實(shí)驗(yàn)室達(dá)成。 編號(hào)N210808的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)從1.9兆焦的激光能量產(chǎn)生了1.35兆焦的聚變能量，并且根據(jù)幾個(gè)點(diǎn)火指標(biāo)似乎已經(jīng)越過(guò)了熱力學(xué)不穩(wěn)定性的臨界點(diǎn)。本周，Nature和Nature Physics刊文對(duì)其相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了報(bào)道。
國(guó)家點(diǎn)火裝置內(nèi)爆示意圖
聚變研究從根本上旨在創(chuàng)建一個(gè)產(chǎn)生比創(chuàng)建它所需能量更多的能量的系統(tǒng)，這是能源應(yīng)用的必要條件； 在實(shí)踐中，聚變反應(yīng)必須是自我維持的，具有自熱超越損失機(jī)制，稱為“點(diǎn)燃” 。 這種條件在包括恒星核心、新星和 1a 型超新星在內(nèi)的天體物理物體以及熱核武器中都達(dá)到了。
實(shí)驗(yàn)室的點(diǎn)火需要將燃料加熱到難以置信的高溫，在那里它變成“等離子體”，很容易發(fā)生聚變反應(yīng)，同時(shí)還要控制能量損失。 在過(guò)去的幾十年里，人們開(kāi)發(fā)了幾種方法來(lái)加熱和限制等離子體，其中大多數(shù)采用最容易實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的氘氚 (DT) 燃料。 等離子體約束的主要方法是“慣性”，以及“磁場(chǎng)”。
國(guó)家點(diǎn)火裝置便是基于“慣性約束”的聚變裝置：
它包含192 束激光束（440 萬(wàn)億瓦的激光功率），這些激光束排列成兩個(gè)錐體--一個(gè)指向黑腔腰部的內(nèi)錐體和一個(gè)指向末端附近的外錐體；它們通過(guò)激光入口孔進(jìn)入一個(gè)鉛筆橡皮大小的金和鈾制成的叫做“hohlraum”的黑腔并撞擊黑腔內(nèi)壁以產(chǎn)生X射線。
這個(gè)強(qiáng)大的X射線輻射浴加熱位于黑腔中心的燃料膠囊。當(dāng)針頭大小的球形燃料膠囊的外部被加熱時(shí)，飛離表面的原子產(chǎn)生的力使膠囊和燃料以近400公里/秒的速度向內(nèi)內(nèi)爆，并對(duì)中心的熱燃料等離子體進(jìn)行機(jī)械工作。 這種等離子體的條件達(dá)到近億度，壓力達(dá)到數(shù)千億大氣壓，從而實(shí)現(xiàn)DT聚合反應(yīng)。
國(guó)家點(diǎn)火裝置激光室
DT燃料膠囊位于hohlraum黑腔的中部：
1，它大約1毫米大小；
2，它的外殼是80微米厚的超硬碳HDC層，內(nèi)部是55-65微米的DT燃料冰層和1000微米左右的DT蒸汽；
3，它內(nèi)部大約有200微克的氘氚燃料。
DT燃料膠囊的內(nèi)爆效率是所有設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)。
DT內(nèi)爆黑腔和燃料膠囊
國(guó)家點(diǎn)火在發(fā)展歷史上出現(xiàn)多套迭代設(shè)計(jì)，而最新實(shí)現(xiàn)突破的設(shè)計(jì)被稱為HYBRID-E。
它是在此前的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上做了大幅度的修正：
1，內(nèi)腔反射壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升激光轉(zhuǎn)換成X射線效率；
2，增加了燃料膠囊的尺寸，提升內(nèi)爆效率；
3，發(fā)展精細(xì)的激光波長(zhǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)，提升內(nèi)爆的對(duì)稱性。
內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HYBRID-E:內(nèi)腔輻射的提升和燃料膠囊尺寸的增加
雖然增加包含更多燃料的燃料膠囊尺寸，能夠達(dá)到更高的壓縮和約束。 但是由于激光能力是固定的，增加內(nèi)爆尺寸并非易事。 將內(nèi)爆尺寸和激光驅(qū)動(dòng)器一起縮放更直接。 為此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了更有效的輻射池并在光束之間傳輸激光能量，以控制內(nèi)爆的形狀并保持其球形。
團(tuán)隊(duì)還做出了很大努力來(lái)平衡有效加熱和壓縮燃料所需的其他內(nèi)爆特性。
最后，對(duì)激光傳輸?shù)馁|(zhì)量、包含燃料的金剛石膠囊的質(zhì)量以及插入膠囊中填充燃料的管子的質(zhì)量進(jìn)行了改進(jìn)。
基于激光波長(zhǎng)的微調(diào)：1埃的微調(diào)
最后，團(tuán)隊(duì)獲得了優(yōu)化的內(nèi)爆模式，獲得了前所未有的高效內(nèi)爆模式
優(yōu)化的內(nèi)爆模式：左圖，內(nèi)爆不對(duì)稱；右圖，內(nèi)部對(duì)稱，提升內(nèi)爆效率
DT反應(yīng)內(nèi)爆時(shí)，熱點(diǎn)內(nèi)的聚變反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)α粒子（氦核）和一個(gè)中子。 產(chǎn)生的中子數(shù)量表征了聚變過(guò)程的程度。為了發(fā)生點(diǎn)火，必須存在足夠的 α 粒子以產(chǎn)生在熱點(diǎn)中引發(fā)進(jìn)一步聚變反應(yīng)所需的熱量。
在下面這張2012年到2021年初期間，DT點(diǎn)火內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)中熱點(diǎn)能量和中子產(chǎn)額的關(guān)系圖上，可以看到其中表現(xiàn)最好的發(fā)射發(fā)生在 2020 年和 2021 年（紅點(diǎn)表示HYBRID-E內(nèi)爆）。雖然不是唯一重要的變量--高熱點(diǎn)壓力也很重要--但圖表顯示，將熱點(diǎn)能量加倍會(huì)使產(chǎn)量增加四倍，這表明熱點(diǎn)能量對(duì) NIF 內(nèi)爆成功的重要性。
圖中的2021年8月8日的 Hybrid-E 內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)（內(nèi)爆編號(hào)N210808）展示了它的聚變效能的提升幅度。
DT內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)中熱點(diǎn)能量和中子產(chǎn)能的關(guān)系：2021年8月8日的突破點(diǎn)
內(nèi)爆后的燃料艙
我們嘗試去詮釋這一結(jié)果的物理意義：
通常，在在托卡馬克（磁約束的主要方法）中，一旦通過(guò)電阻加熱產(chǎn)生等離子體放電，外部電源（例如射頻天線）會(huì)在等離子體進(jìn)入聚變條件時(shí)提供額外的等離子體加熱。
而慣性約束中，由于192條激光輻照到黑腔內(nèi)壁產(chǎn)生的X射線只有10-15%被燃料膠囊吸收，所以這種“間接驅(qū)動(dòng)”方案的能量利用率非常低。
下面這是燃料膠囊能量耦合效率的簡(jiǎn)化流程圖。其中顯示：激光經(jīng)過(guò)紅外波長(zhǎng)到紫外波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之后，它損失了大約一半的激光原始能量。 當(dāng)光線到達(dá)黑腔時(shí)，它會(huì)加熱內(nèi)壁并產(chǎn)生壓縮聚變?nèi)剂系?X 射線，消耗1.9兆焦耳紫外線的一半以上。 在考慮到通過(guò)激光入口孔、激光-等離子體相互作用、反向散射以及其他因素?fù)p失的情況 X 射線能量后，因而在早期的實(shí)驗(yàn)中，膠囊僅吸收了約150-270千焦耳，而僅約10千焦耳最終出現(xiàn)在聚變?nèi)剂现小?/p>
黑腔內(nèi)壁產(chǎn)生的X射線只有10-15%被燃料膠囊吸收
盡管國(guó)家點(diǎn)火裝置是世界上最大、能量最高的激光系統(tǒng)，但該設(shè)施的 192 束激光束中的幾乎所有能量在到達(dá)燃料艙之前都會(huì)因波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、X 射線產(chǎn)生、反向散射和其他因素而損失掉。 熱點(diǎn)中的能量集中是獲得高水平聚變性能和達(dá)到點(diǎn)火所需條件的關(guān)鍵之一。
自持加熱示意圖
慣性約束的能量描述是這樣的：激光能量Q1，燃料膠囊的接收能量Q2，以及DT內(nèi)爆熱點(diǎn)的接收能量Q3，內(nèi)爆熱點(diǎn)的輸出能量是Q4。
國(guó)家點(diǎn)火裝置定義的節(jié)點(diǎn)是：Q4/Q1大于1。
而目前實(shí)現(xiàn)達(dá)到的是：Q4/Q1達(dá)到0.75。
但是此次內(nèi)爆的Q4/Q3達(dá)到50倍；Q4/Q2也達(dá)到6倍。
也就是說(shuō)慣性約束的內(nèi)爆熱點(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自持燃燒。這是歷史上的第一次。
我們把2021年8月8日的Hybrid-E 內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)和過(guò)去10年的所有數(shù)據(jù)放在一起對(duì)比，更能理解它的突破性意義：
1，在過(guò)去十年，國(guó)家點(diǎn)火裝置進(jìn)行了171次DT內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)，而HYBRID-E的最新內(nèi)爆，實(shí)現(xiàn)了聚變能量的指數(shù)級(jí)增加，達(dá)到1.35兆焦耳。
2，此次結(jié)果使得內(nèi)爆熱點(diǎn)壓力增加至2倍，而內(nèi)爆熱點(diǎn)能量增加至6倍，因而相比此前十年的數(shù)據(jù)，大幅度超越了點(diǎn)火臨界判據(jù)。
下圖是在HYBRID-E之前的數(shù)據(jù)，很明顯，當(dāng)時(shí)最好的數(shù)據(jù)來(lái)自HDC項(xiàng)目，也依然沒(méi)有突破點(diǎn)火臨界點(diǎn)！
此前十年的內(nèi)爆數(shù)據(jù)
當(dāng)然，國(guó)家點(diǎn)火裝置NIF的里程碑式目標(biāo)是聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過(guò)驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆所需的激光能量，而這次并沒(méi)有達(dá)到100%，而是70%。因此這個(gè)突破被準(zhǔn)確地描述為“首次展示自持核聚變”--它的提升的幅度的確令人感到震驚。
Hybrid-E 團(tuán)隊(duì)成員
HYBRID-E 團(tuán)隊(duì)成員（左起）：David Strozzi、Laurent Divol、Omar Hurricane、Chris Young、Annie Kritcher、Michael Stadermann、Debbie Callahan、Alex Zylstra、Denise Hinkel、Art Pak、Riccardo Tommasini 和 Dan Clark。 未顯示：Dan Casey、Chris Weber、Joe Ralph、Kevin Baker、Tilo D?ppner 和 Sebastien Le Pape。
這是一個(gè)相當(dāng)年輕的團(tuán)隊(duì)，站在第二排左手邊第三位的便是Annie Kritcher博士。她是HYBRID-E 的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人，集成黑腔建模團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，以及設(shè)計(jì)物理線組負(fù)責(zé)人。
Annie博士2009年獲得加州大學(xué)伯克利分校核工程博士學(xué)位，之后在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始博士后研究。她的主要工作包括評(píng)估內(nèi)爆模式的不對(duì)稱性，燒蝕材料的比較，以及拓展越來(lái)越多的ICF內(nèi)爆規(guī)模。正是她的工作引領(lǐng)了這次里程碑式的突破。
如此復(fù)雜龐大的科學(xué)工程，為了獲取有意義的數(shù)據(jù)，需要大量的核心的關(guān)鍵核診斷能力，而每一項(xiàng)都包含巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
國(guó)家點(diǎn)火裝置有一個(gè)頂尖的核診斷團(tuán)隊(duì)，保證了Hybrid-E團(tuán)隊(duì)能夠獲得他們?cè)O(shè)計(jì)方案每次的內(nèi)爆數(shù)據(jù)能夠被準(zhǔn)確的檢測(cè)到。
國(guó)家點(diǎn)火裝置核診斷團(tuán)隊(duì)
這些診斷儀器包括中子飛行時(shí)間 (nTOF) 探測(cè)器 、飛行時(shí)間儀 (NITOF) 、Well-NAD 核激活探測(cè)器、磁反沖能譜儀 (MRS) 、GRH診斷，來(lái)自全美最優(yōu)秀的設(shè)計(jì)診斷技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。
例如，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Hermann 的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)伽馬反應(yīng)歷史診斷，提供爆炸時(shí)間和燃燒持續(xù)時(shí)間。 伽馬反應(yīng)歷史儀器以低至十皮秒的時(shí)間分辨率測(cè)量反應(yīng)。洛斯阿拉莫斯的高級(jí)成像團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)提供了3D熱點(diǎn)形狀。
在了解到以上技術(shù)方案的細(xì)節(jié)后，我想大家都可以直觀地理解到：
國(guó)家點(diǎn)火裝置的突破性進(jìn)展，大幅推進(jìn)了慣性約束聚變領(lǐng)域的發(fā)展。不過(guò)當(dāng)下，這種突破，距離工程化、商用化還很遠(yuǎn)--它更多的是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的范疇。
Annie博士認(rèn)為：
這項(xiàng)工作對(duì)聚變界極為重要，因?yàn)檫@是實(shí)驗(yàn)室中首次展示自持核聚變。 了解點(diǎn)火周圍的等離子體條件將為許多聚變概念提供啟發(fā)，并為在實(shí)驗(yàn)室中研究高能量密度等離子體開(kāi)辟新的實(shí)驗(yàn)機(jī)制。 此外，該平臺(tái)將能夠?qū)τ糜谡J(rèn)證國(guó)家核武器庫(kù)存的模型進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，并成為在極端條件下測(cè)試材料損壞的寶貴平臺(tái)。
這是未來(lái)清潔能源設(shè)施的重要首次演示，旨在產(chǎn)生比引發(fā)聚變反應(yīng)所需的更多能量。 這個(gè)發(fā)現(xiàn)只是一個(gè)開(kāi)始，需要做更多的工作才能使其成為聚變能的實(shí)際應(yīng)用。
下節(jié)將介紹中國(guó)慣性約束聚變的研究進(jìn)展。
https://ners.engin.umich.edu/2021/09/15/annie-kritcher-leads-revolutionary-nuclear-fusion-experiment/
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01485-9?CJEVENT=6f5823837f0611ec8048000c0a1c0e13
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04281-w
https://mediacentral.princeton.edu/id/1_lvgdlk2y
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