192路激光器“火力全开”创纪录！激光核聚变商业化还有多远？

当地时间13日，美国能源部（DOE）和能源部国家核安全管理局（NNSA）宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”——即聚变反应产生的能量大于促发该反应的激光能量。

这是几十年来的一项重大科学突破，将为国防和清洁能源的未来铺平道路，或帮助人类在实现无限、零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

从0到1，可控核聚变一大“里程碑”

当地时间12月5日上午1：03，LLNL国家点火设施（NIF）进行了这一历史性的受控聚变实验，并实现了这一“科学能量盈亏平衡”的里程碑。

人类研究核聚变70年，一直有一个问题得不到突破——那就是输入的能量总是大于产生的能量。而该实验恰恰证明了核聚变反应的“净能量增益”确实可行的。

在实验过程中，LLNL使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素的固体目标。实验向目标输入了2．05兆焦耳（MJ）的激光总能量能量，然后产生了3．15兆焦耳的氘氚聚变能量输出，能量增益达到153％，是输入的1．5倍（比用来触发反应的输入能量多了近50％），首次证明了惯性聚变能（IFE）的最基本科学基础，也终于实现了净能量增益！

192路激光器“点火”装置大展身手

这一突破的重要意义不言而喻。说到背后功臣，就不得不提实验中拥有192路、总能量约为2MJ的美国国家点火装置（NIF）。

在20世纪60年代，LLNL的一群先驱科学家假设，激光可以在实验室环境中用于诱导聚变。为了实现这一理念，LLNL建造了一系列日益强大的激光系统，世界上最大、能量最大的激光系统NIF由此诞生。值得一提的是，光是NIF投建就耗资达35亿美元！

介绍一下最新实验的操作过程：整个过程使用了一个由192个激光器组成的实验装置（有三个足球场那么大）产生激光束，照射处于辐射平衡态的腔体（hohlraum）内壁，激光能量会将特殊涂层加热到大约300万℃的高温，随后在腔体内转换成X射线，接着X射线又压缩燃料靶丸，进行内爆并产生高温高压等离子体。这些等离子颗粒含有重氢（同位素为氘和氚）因此更容易发生聚变反应，进一步产生更多的能量。这种链式反应就是所谓的“点火”，随之便会放出大量能量。

值得注意的是，用激光照射内壁，产生的X光可以更加均匀地覆盖到燃料靶丸的表面，使得表层的的爆裂更加均匀、时间更加一致，这使聚变反应的效率更高，离正能量增益也就越近。

在这里科普一下，核聚变目前有两大主流实现技术方案：磁约束－MCF（主要利用托克马克装置）和惯性约束－ICF（主要通过激光打靶，用大量的激光脉冲来轰击氢原子），两者在技术原理和实验场景上存在本质区别。

其中，聚变反应所需的时间是最大的区别——从上面的过程介绍可以发现，基于激光的反应堆，可以让核聚变在很短的时间内发生。而磁反应堆在其工作原理的基础上，会需要更多的能量来支持聚变过程。

据悉，此次实验中美国国家点火设施（NIF）选择了利用惯性约束聚变（ICF）过程来产生聚变能量。这种选择与LLNL本身的背景其实密不可分。在本次新闻发布会上，LLNL主任金·布迪尔（Kim Budil）就表示幽默地表示，LLNL的全称其实是“Lasers， Lasers， Nothing but Lasers．”

对于此次成功，本次实验的靶设计负责人安妮·克里彻（Annie Kritcher）表示，很大原因归功于对激光调控和靶丸设计进行了特别改进。更大的靶丸尺寸与更小的激光入射孔径有利于获得更高的能量输出与增益。

此外，今年早些时候，NIF的科学家还公布了一种激光系统的工程和测试，其中核聚变本身（而不是外部加热机制）提供了核聚变反应所需的大部分热量。

接下来，NIF将进一步分析本次实验的成功原因，并希望在后续实验中复现本次实验。

激光核聚变未来商业化潜力有多大？

近半个世纪以来，核聚变能源一直是能源生产的“圣杯”，除美国外欧洲、中国、印度等国家也在进行类似实验。根据核聚变工业协会（Fusion Industry Association）的数据，目前全球共有30多家从事聚变技术的私营公司，私营企业去年为这项研究提供了超过28亿美元的资金，近年来总额约为50亿美元。成立时间上，这其中近一半公司在过去5年间成立。

不过，核聚变距离商用至少还有十年，也可能是几十年，短时间看无法投入气候保护，发电厂应用落地更是遥遥无期。实现上亿度的点火和稳定长时间的约束控制，成为了横亘在核聚变发电商业化面前的两大门槛。

所幸，近年来强磁体和高功率激光器等领域迎来了突破性的进展，以激光聚变为业务目标的初创公司在全球范围内出现激增，并且吸引了包括比尔·盖茨、杰夫·贝佐斯等知名投资者在内投入的大量资金。仅在2022年，这类项目就吸引了大量关注，“人造太阳”火成了资本新赛道：

（2022年成功融资的激光核聚变企业，不完全统计）

科研方面，近日法国泰雷兹（Thales）又宣布与Marvel Fusion合作，双方将升级在罗马尼亚的欧洲极端光强基础设施－核物理项目（ELI－NP）的激光系统，升级后的激光器旨在验证其核聚变能源技术的关键方面。

目前，美国能源部也已经在美国重新启动了一个基础广泛、协调一致的惯性聚变能（IFE）项目。再加上私营部门的投资、研究机构的参与，核聚变的商业化进程将大大加速。