激光驱动的聚变反应首次“打破平衡”

2022年12月，美国国家点火装置的科学家宣布了一个历史性的里程碑：他们的激光驱动的聚变反应首次“打破了平衡”，产生的能量超过了它消耗的能量。

但是像这样的重大进展需要经过严格的检验——而这可能需要一些时间。

重要的是，一系列详细介绍了实验设计、技术进步和最初突破反应结果的论文刚刚通过了同行评审，这意味着没有参与这项工作的研究人员已经审核了方法和发现，以检查计算是否正确。

“这一成就是五十多年研究的顶峰，证明了基于基本物理原理的实验室聚变是可能的，”间接驱动惯性约束聚变(ICF)合作组的成员在五篇论文中的第一篇中写道。

如果能够控制和扩大，核聚变承诺提供一个丰富的、无穷尽的清洁能源，不会产生化石燃料的温室气体排放或核裂变的放射性废物。聚变是两个或更多的原子合并成一个更大的原子，同时释放能量的过程。

这些基于实验室的反应与商业规模的应用相去甚远，它们在微小的规模上模仿了我们的太阳和恒星的聚变反应。没有太阳的质量来提供一些重力的推动，地球上聚变原子的方法依赖于热量。

在这种特殊的聚变技术中，这种热量是通过一股强大的光来传递的。实验涉及用192个高功率的激光轰击一个包含微不足道的220微克的氘和氚燃料的胶囊，这使得压力升到6000亿个大气压，温度升到151百万°C(272百万°F)。

这些条件，远远超过了太阳内部的条件，导致燃料爆炸，氘和氚原子聚变成氦并释放能量。

在2022年12月的突破性实验中，激光向燃料发射了2.05兆焦(MJ)的能量，产生了3.15兆焦的能量——所以大约1.5倍的能量是由反应产生的，而不是输送到燃料中的。

新的论文详细介绍了实现“打破平衡”的进展，包括调整燃料混合比，消除胶囊壁上的缺陷，增加豌豆大小的胶囊的质量，提高激光能量，和增加使用的燃料的量。

通过所谓的点火阈值，预示着聚变研究的新时代，这一进程并没有放缓：研究人员在去年的几次实验中发射了更强能的激光，并产生了更多的能量。

研究人员还报告了他们最近的一次实验的结果，这次实验是在2023年年中进行的，它从相同的2.05兆焦的能量输入中产生了3.88兆焦的能量——大约是注入的能量的1.9倍，这是迄今为止的最高产量。

然而，要记住的是，这些实验中用来驱动激光的能量是巨大的：500万亿瓦，或者是美国国家能源网在任何时刻产生的功率的一千倍。所以，在这些聚变反应实际上产生的能量超过了引发它们的能量之前，还有很长的路要走。

“我们有可能实现聚变，”伯明翰大学的核物理学家Martin Freer告诉《新科学家》的Matthew Sparks。“但是我们面临的挑战是相当陡峭的，从科学上讲。”

尽管核聚变承诺了清洁能源，科学家们也强调，核聚变不是我们应对气候危机所需要的即时解决方案。

曼彻斯特大学的核聚变研究员Aneeqa Khan说，商业核聚变设施仍然是几十年之后的事，而我们需要在未来6年内——到2030年——将全球碳排放减少近一半，才能扭转气候。

幸运的是，我们已经拥有了可再生能源技术来做到这一点。

本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。