[科普中国]-燃料胶囊

一个毫米级燃料胶囊背景

美国国家点火装置（NIF），位于加利福尼亚州的激光核聚变装置，得到了一些让核聚变科学家欢欣鼓舞的结果。在2013年底进行的一系列实验中，NIF研究人员获得的能量输出是之前记录的10倍，并且演示了自动加热现象。自动加热是一种自持燃烧反应，所产出的能量多于消耗的能量，如果核聚变要达到其最终目标--“点火”，这至关重要。

“这是非常有意义的研究成果，是迈向更高收益的良好起点。”英国伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心的Steven Rose说。这标志着核聚变能源将步入新时代。

位于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的NIF致力于通过熔合氢的两种同位素氘和氚的原子核，再造太阳和氢弹的能量源。科学家通过利用全世界最高能的激光将氘和氚的原子核加热到极高的温度和压力，以便它们有足够的能量战胜自然的相互排斥力，最终碰撞在一起。

2009年，相关设备装配完成后，NIF研究人员开始了一个为期3年的“竞赛”，以实现尽快点火。但是，当第一个3年结束时，他们距离设定的目标还很远。于是，美国国会资助该实验室启动了另一个3年计划，进行更多的调查性研究，并确定问题之所在。

2014年刊登在《自然》和《物理评论快报》上的新研究成果是证明该方法有效的首个标志。“这是一个无可挑剔的结果。”美国罗切斯特大学激光能量实验室主任Robert McCrory说。但他还表示，NIF离点火仍然很远。“那些期待突破性进展的人们可能很快将会失望。”McCrory说。

点火条件苛刻为了达到核聚变所必需的极端条件，国际热核聚变实验堆（ITER）等一些设备使用高能磁场束缚燃料，并利用粒子束进行加热。NIF则采用一个不同的方法：利用激光脉冲爆炸微小燃料样本，从而产生小型核聚变激增。如果一切正常，爆炸将产生比激光脉冲更高的能量，实现净能量增益。NIF激光器约有一个露天足球场大小，能够产生192支紫外线光束，在持续1纳秒的一个脉冲中能够传递1.9兆焦能量，大约相当于一辆2吨卡车每小时行驶160公里的动能。

紫外线光束能够转变成X射线，然后袭击燃料胶囊——一个比花椒略小的中空塑料球，能容纳0.17毫克冻结的氘和氚。强烈的X射线脉冲击中燃料胶囊后能引起一些塑料发生爆炸；这也迫使剩余的塑料和冻结的燃料向中心高速聚拢。如果一切按计划进行，结果是核聚变燃料小球的状态是5000万开尔文、铅密度的100倍，足够的热量和密度能引发核聚变反应。

NIF最初的点火计划主要依赖利弗莫尔国家实验室和其他实验室的早期工作。NIF科学家曾经点燃其燃料球，并且整个过程似乎能够正常运转，模拟结果也显示NIF将能实现一些核聚变。但这些设备讲述了一个不同的故事：能量输出非常低。

2012年，国会进行了相关调查工作，最终指责NIF研究人员未能解释模拟数据和实验数据之间的分歧。2013年，NIF科学家开始更系统地探索问题的所在，并且实验室更换了新领导人，也有新科学家加盟该队伍。

最终，他们认为存在两个主要问题。燃料芯块压缩时常出现不对称情况，并产生一个环形的燃料团。而在内爆时，塑料胶囊会发生爆炸，并与燃料混合在一起，使其最终难以引发核聚变。1

实现飞跃为了解决具体问题，新研究队伍使用192支激光束，在不同地方实施不同的照射力度，以期获得更均匀的内爆。为了避免塑料胶囊解体，研究人员还调整了激光脉冲时间。

一般而言，20纳秒内，科学家一开始主要使用低功率激光进行轰击，以便在未加热燃料的情况下促使内爆移动，最后激光以突然的高功率引发核聚变。这种“低起步”方法背后的理论是，冷燃料最终将被压缩到更高的密度。但缺点在于较低的速度使得胶囊有时间爆炸。美国海军研究实验室等离子物理学部激光等离子分部主任Stephen Obenschain表示，在低功率激光冲击下，“有太多有害的事情可能出现，你无法看到发生了什么”。

NIF新研究小组决定尝试使用初始能量就稍高的激光脉冲进行轰击，以便燃料更快地出现内爆，并且在15纳秒之后就更快地结束脉冲。尽管这样的“高起点”最终将无法获得那么高的密度，但是研究人员希望这种方法能有助于控制燃料的混合。

2014年8月13日进行的一次激光轰击实验证明他们的想法是正确的，并且实现了能源输出量的飞跃。9月27日和11月19日进行的另外两次实验得出的结果甚至更好，产生的能量（14.4千焦和17.3千焦）比内爆过程中沉积在核聚变燃料里的能量（11千焦和9千焦）更多。

这是有史以来第一次在激光核聚变实验里实现这样的能量输出。NIF研究小组负责人Omar Hurricane在新闻发布会上表示：“相比之前的实验，我们向后退了一步，而这让我们向前迈出了一大步。”

重要的是，该研究小组还看到了对于提高核聚变收益至关重要的自动加热现象。核聚变反应能够产生阿尔法粒子（氦核）和中子，当核聚变反应在燃料核心处开始发生时，阿尔法粒子能帮助将周围更冷的燃料加热到反应温度。NIF研究小组认为，在最成功的激光轰击实验中，阿尔法粒子加热使核聚变收益加倍。“阿尔法粒子确实能够加热气体。”Rose说。

观察者还注意到，在2014年进行的相关实验里，模拟数据和实验结果几近一致。“这非常鼓舞人心。”NIF前主任、目前供职于圣地亚国家实验室的Michael Campbell说。“现在他们能在某种程度上信任模拟结果，这在之前是无法做到的。”Rose说。

点火之路还很长但是与相关实验距离大部分核聚变研究人员理想中真正的“收益”仍然很远：核聚变输出能量高于激光输入能量。尽管实验中核聚变反应释出的能量比燃料（用于引发核聚变反应）吸收的能量多，但大量激光脉冲的能量消耗在了从紫外线到X射线的转化过程中。去年最佳实验产生了只有不到1%的激光脉冲能量。

人们对NIF研究小组现在应该做什么的问题存在分歧。McCrory不认为目前的方法最终能成功“点火”，人们还需要更多创新。Rose表示赞同：“我不确定他们有获得真正收益的方法。”

问题在于，研究人员仍要减少最终压力来控制内爆过程中的燃料混合，而现在他们必须再次增加压力，使得燃料密度足够大到出现高收益。“是的，我们自己限制了自己来实现这种控制。”Hurricane说，“这是一个起点。现在我们需要尝试走向不同的方向。”

尽管存在不确定性，研究人员仍然备受NIF新进展的鼓舞。“这些是正确的实验，谁知道他们可以借此走多远呢?”Campbell说。2

法国提出的点火途径在NIF与LMJ的武器研究实验中，研究人员通过把燃料胶囊包裹在一个金属壳中间接向内引爆胶囊，这种金属壳可以通过激光加热，反过来再用X光炸裂胶囊。这种方法具有一些优势，它可以使激光束的瑕疵变得平滑，而且X光在向内爆破过程中比紫外线更具优势，但是它却使目标变得复杂与昂贵，这不是科学家想要的产生能量的方式。NIF研究人员也曾努力让这一方式发挥作用，但能量在转化成X光的过程中丢失了，而且向内爆破进展得也不顺利。

IEF武器实验室外的研究人员想通过不同的方式解决问题。通过清除掉金属壳，并把激光束直接对准胶囊，可以避免复杂性以及把紫外线转化成X光时的能量丢失。为了得到平滑、对称的向内爆破，很多科学家建议以较慢的速度推动这一过程。但这样一来压缩燃料又不能加热到足够高的温度让核燃料自行运转；仍需要另外的点火装置启动聚变堆。

一种可能解决的办法是快速点火，日本大阪大学是该领域的先驱，该方法是利用快速、高能量激光脉冲来点火——PETAL可以制造这种脉冲。过去十年，IFE研究人员提出了建设一个以快速点火为基础的示范性IFE反应堆“HiPER”。然而，由于NIF远未达到点火的能力，该计划就没有了动力，但其支持者希望通过LMJ—PETAL组合给予其新动力。

2015年1月，在功率相对较低的装置上的实验已经表明，PETAL或许不能发出猛烈一击来触发快速点火。但纽约罗切斯特大学引导的另一项选择或许可以挽救困局。这种名为“冲击点火”的技术像其他技术一样，也是用来自主激光器的激光脉冲挤压燃料胶囊。但是在挤压最后，激光会突然增加能量，产生一种冲击波，并传递至燃料中心。当冲击波抵达反应堆中央时，突然增加的压力可以激活反应堆。“通过Omega装置（罗切斯特大学的激光器）所做的实验和其他地方的一些实验都很鼓舞人心，在这个阶段（冲击点火）所需要的激光条件看起来比快速点火更有前景。”英国中央激光研究所核聚变研究人员Chris Edwards说。

在通过LMJ-PETAL装置实现核聚变能的过程中，研究人员还面临来自社会与政界的挑战。欧洲的IFE科学圈相对较小，此前并未经历过规模如此大的装置或武器安全实验室类的项目。“单是LMJ看起来似乎就像一座沙漠中的教堂。”Batani说，“研究人员对它很感兴趣，但是同时持怀疑态度。很多人不相信它是有助于科研的工具。”而且CEA还需要克服其不情愿与学术界研究人员分享模拟代码的问题，他们害怕这样做可能会帮助“流氓国家”研究热核武器。Batani说，“我们需要可靠的模拟实验，但却没有开放的代码。”而且欧洲传统上聚焦于另一种不同的研究方法——磁约束核聚变，这种方法也有其代表性装置：即在法国卡达拉奇正在建设的花费数十亿欧元的国际热核实验反应堆（ITER）。

“如果LMJ的冲击点火方法可行，政治家的态度就会变得更加积极。” Batani说。而在核聚变领域一直处于下风的欧洲可能也会因此变得扬眉吐气。3