改变世界的核聚变设施内部

(SeaPRwire) –   2022年12月5日凌晨1点,在美国加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火设施(NIF),实验物理学家戴夫·施洛斯伯格(Dave Schlossberg)被电话叫醒。当晚NIF使用其强大的激光进行的一个实验计划即将进行。他几小时前去睡觉时告诉了实验小组中的一位物理学家亚历克斯·齐尔斯特拉(Alex Zylstra),如果有任何有趣的事情发生就给他打电话。现在,齐尔斯特拉看到的数据与该设施以前记录过的任何数据不同。它似乎显示科学家实现了一个追求了几十年的里程碑性目标——复制太阳提供能量的能源来源。施洛斯伯格接起电话。“我想有什么有趣的事情发生了,”齐尔斯特拉说。

在过去13年中,这家位于加利福尼亚州利弗莫尔的设施的研究人员一直在试图并失败地实现点火,即反应产生的能量超过科学家输入的能量。一些专家观察人士认为它永远不会成功。然而,在设施实验数据库中,有着证据。在2023年1月3日1点03分50秒,NIF的192支强大激光束将2.05兆焦耳(MJ)的能量投入到一个小型金圆柱体中,将紫外线辐射转换成强大的X射线,将这些X射线包围在一个胡椒粒大小的钻石胶囊中,里面含有两个氢同位素——重氢和氚。在极短的时间内,该胶囊内部压缩到铅的100倍密度,迫使氢原子融合成氦,将一小部分质量转换成巨大的能量。大约70万亿分之一秒后,胶囊爆炸,释放出3.15MJ的能量,相当于约三根炸药棒。

结果是一个科学奇迹,实现了研究人员从1950年代开始就一直希望在实验室中创建的事情——复制恒星中的反应,通过撞击氢原子形成氦来提供无限的、无排放的电力,而没有核裂变反应堆的安全风险或废物处理问题。然而,在实验室中证明这样一个过程的可行性对科学家和工程师来说长期以来都很困难。

自2009年开放以来,NIF一直采取一种方法来应对这个挑战:通过强大的激光束击中它们,从而实现点灅,这是如果这项技术有朝一日能作为清洁能源来源的一个关键步骤。现在,十五年后,人们重新燃起希望,这个梦想有一天可能实现。

但研究人员离使用他们在体积庞大的设施中产生的任何能量来为任何东西供电还很遥远。NIF不是发电厂,它巨大激光提供的电力远远超过它在目标室产生的任何能量。尽管如此,2022年12月那天它实现了一个重要突破。随着消息的传播,全球的核聚变热情高涨;美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称之为“21世纪的里程碑”。核聚变能源企业也因新生的希望而欣喜若狂。

但即使在庆祝之中,NIF也面临着迅速复制这些结果的压力,以证明这个开创性实验不是个意外,然后再追求更高的核聚变产能。TIME在过去一年中一直跟随NIF科学家——一个充满困难与骄傲,失望与欣喜的过程,这证明了研究人员的才智和决心,以及政府资助企业在推动困难科学事业方面的独特作用。这也提醒我们,实现最近的突破转化为可帮助扭转人类气候变化趋势的清洁能源还有很长的路要走。

安妮·克里彻(Annie Kritcher)经常半夜醒来,脑中充满新的想法需要输入模拟中。“我丈夫会这样描述我,‘痴迷’,”克里彻说。“有时我会和孩子们玩,然后突然发现自己根本没有在玩,他们会说,’妈妈,你只是站在那里。’实际上我在脑中和模拟进行着全面的讨论。”

作为设计物理学家,她的工作是使用计算机模型来预测调整激光脉冲波长和功率,对燃料胶囊和周围的金空腔进行微调,以及无数其他潜在变化可能以何种方式迫使氢原子以正确的方式聚集在一起产生核聚变反应。

克里彻设计的2021年8月一个NIF实验使用1.9MJ的输入激光能量产生了1.3MJ的核聚变能量记录——这得益于调整,包括将更多输入能量转移到激光射击的后期。结果使NIF的科学家接近点火阈值。之后,该设施开始为将激光推到更高能级的实验做准备。激光原本设计为输出1.8MJ,技术人员已经能将其推到1.9MJ。现在,通过添加更多NIF在激光能量放大中的特殊玻璃面板,他们认为可以将这些光束提高到2.05MJ。从核聚变实验输入能量增加的角度来看,这似乎增加很小。但是随着输入能量的增加,输出能量往往会呈指数增长。研究人员认为,额外的0.15MJ激光能量可能就是突破点火障碍的关键。

克里彻设计了一个计划来利用这额外的激光能量,主要是增加燃料胶囊的厚度。2021年9月一个实验失败——燃料坍缩成了一个饼形,只产生了1.19MJ的能量。克里彻称这些“早餐食品”错误是NIF的日常之一:理想情况下,激光会将核聚变燃料均匀压缩成球形,从而对氢原子施加最大压力迫使它们融合,但有时会变成饼、香肠或熊掌形状,导致产能较低。团队做出一些调整,包括调整激光波长。然后,2022年12月5日,他们再次尝试——成功了。

克里彻说她得知消息时哭了。“我处于冰冻的狂喜状态,笑了一个星期。”

实现这样的结果需要长期艰苦的工作;2013年,产能只有14千焦耳,不到12月产能的0.5%。“一切都很不真实,”该项目的科学家阿特·帕克(Art Pak)说,“意识到你工作了10年的东西,人们工作了60年的东西,现在实现了。”

但科学不是一次成功就结束。要真正理解一个现象,必须能重复实现它。但随后的尝试再次实现点火都失败了。NIF面临的一个困难是在实验极小的钻石胶囊内填充重氢和氚原子,这需要使用一根直径不到人类头发一百分之一的细管。如果氢同位素在运输到目标室的过程中泄漏,结果就会很不同。