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美國研究團隊揭秘首次激光核聚變點火細節，下月將再做實驗

澎湃新聞記者張靜

2023-01-17 08:15

來源：澎湃新聞

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·“我哭了，那是喜悅的淚水。我的身體開始顫抖，在大家登機前，我在登機口上躥下跳。每個人看上去都在想，‘那個瘋女人在干什么？ ’”

·“點火是人們多年來一直在努力實現的里程碑。我擔心即使在取得了如此巨大的成就之后，仍有太多的技術障礙——十年時間只是白日夢。”

【編者按】2022年12月13日，美國能源部宣布，由美國政府資助的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）首次成功在核聚變反應中實現“凈能量增益”，引發全球關注。1月15日，美國哥倫比亞廣播公司（CBS）推出電視節目《核聚變突破或是邁向未來無限清潔能源的一步》，獨家采訪了負責此次實驗的團隊，并近距離拍攝了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的核聚變點火裝置。下個月，該實驗室將再進行一次激光核聚變實驗。實驗室主任金·布迪爾（Kim Budil）認為，如果有足夠的資金和奉獻精神，商業核聚變發電可以在20年左右的時間里得到演示。

實驗室的激光核聚變研究項目負責人塔米·馬（Tammy Ma）說，從理論上講，要實現商業發電，大約每秒要發射激光10次，還要讓能量增益提高到100倍左右。紐約大學教授查爾斯·賽弗（Charles Seife）認為，美國總統拜登在十年內實現商業核聚變發電的目標是無稽之談，“十年時間只是白日夢。”但與賽弗的預言背道而馳的是，有30多家私人公司正在設計各種各樣的核聚變能源方法，包括使用磁體而不是激光。在過去13個月里，30億美元的私人資金流入到這些公司。

以下為CBS這期節目的內容，灰色部分為旁白。

上個月，離地球最近的恒星在美國加利福尼亞州。在實驗室里，世界最大的激光器讓氫原子發生核聚變反應，產生能量的方式與太陽相同，盡管只持續了不到十億分之一秒。但經過60年的辛勞和失敗，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室證明了這是可以做到的。如果核聚變有一天成為商業能源，它將是無限和零碳的，將改變人類命運，但還有很長的路要走。在去年12月的突破之后，我們被邀請參觀實驗室，并與將恒星能量帶到地球的團隊見面。

不受控的核聚變很容易，在還是黑白電影時期人們就已經掌握了。氫彈就是一種核聚變反應，利用氫原子核聚變釋放能量。難的是如何把這種哈米吉多頓大戰（《圣經》故事里的善惡大決戰）之火變成有用的東西。

美國能源部的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室幫助維持核武器和高能物理實驗。在舊金山以東一小時車程的地方，我們在美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）這個創造了歷史的實驗室里，見到了利弗莫爾的主任金·布迪爾。

金·布迪爾（美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任）：美國國家點火裝置是世界上最大的也是能量最大的激光裝置，始建于20世紀90年代，在實驗室創造核聚變條件，而這以前只有在宇宙最極端的天體中才能發生，比如在巨行星的中心、太陽，或是操作核武器時。我們的目標是能夠非常詳細地研究這種高能量、高密度的條件。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾。本文圖片來源：CBS

NIF耗資35億美元，用于自我維持的核聚變點火。研究人員在13年里嘗試了近200次，但就像一輛電池電量不足的汽車，原子“發動機”永遠不會發動。

CBS記者斯科特·佩利（Scott Pelley）：NIF有一些綽號。

金·布迪爾：是的。很多年來都是“不點火裝置”（Not Ignition Facility）、“永不點火裝置”（Never Ignition Facility），最近是“接近點火裝置”。所以，最近成功點火這件事真的讓點火成為了NIF的一部分。

點火意味著點燃核聚變反應，釋放出的能量比激光輸入的更多。

金·布迪爾：所以如果能讓它足夠熱，密度足夠大，速度足夠快，并保持足夠長的時間，核聚變反應就會開始自我維持。這就是去年12月5日在這里發生的事情。

美國國家點火裝置的控制室。

上個月，控制室發射的激光將兩個單位的能量注入實驗，原子開始聚變，大約三個單位的能量釋放出來。實驗室的激光核聚變研究項目負責人塔米·馬（Tammy Ma）在等飛機時接到了電話。

塔米·馬（勞倫斯利弗莫爾國家實驗室激光核聚變研究項目負責人）：我哭了，那是喜悅的淚水。我的身體開始顫抖，在大家登機前，我在登機口上躥下跳。每個人看上去都在想，“那個瘋女人在干什么？”

塔米·馬對工程非常著迷。

向激光器輸送能量的管子。

她向我們展示了為什么核聚變問題會讓任何人流淚。首先，這些比足球場還長的管子里的激光輸送了所需的能量。

斯科特·佩利：總共有多少個？

塔米·馬：總共192束激光。

斯科特·佩利：每一束激光都是世界上能量最大的，而總共有192束激光。

塔米·馬：這很酷，對吧？

實際上溫度很高，有幾百萬度。這就是為什么要用鑰匙來鎖住激光器。激光束撞擊產生的能量是整個電網的1000倍。當電發射時家里的燈不會熄滅，因為電容器儲存了電力。激光束發射時通過來回運動而放大，閃光只有一剎那。

塔米·馬：我們必須達到這些不可思議的條件：比太陽中心更熱，密度更大，所以我們需要所有的激光能量來達到非常高的能量密度。

所有的沖擊力使一個小到幾乎看不見的靶丸蒸發。

激光沖擊的靶丸。

斯科特·佩利：我能拿著看看嗎？

邁克爾·斯塔德曼（Michael Stadermann，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室激光核聚變目標制造項目經理）：當然。

斯科特·佩利：難以置信。太神奇了。

邁克爾·斯塔德曼的團隊制造了空心靶殼，在零下430度的溫度下裝入氫。

邁克爾·斯塔德曼：制造這些空心靶殼所需要的精度是極端的，它們幾乎是完美的圓形，平滑度比鏡子好上一百倍。

邁克爾·斯塔德曼的團隊制造了空心靶殼。

如果它不比鏡子更光滑，缺陷就會使原子內爆不均勻，導致核聚變失敗。

斯科特·佩利：所以需要盡可能地接近完美。

邁克爾·斯塔德曼：對，沒錯。我們確實認為它們是地球上最完美的物品之一。

邁克爾·斯塔德曼的實驗室通過蒸發碳并用鉆石制成外殼來追求完美。他們一年生產1500個，讓150個近乎完美。

邁克爾·斯塔德曼：所有的組成部分都被放在顯微鏡下，然后用機電平臺把零件放到它們應該在的地方，把它們組裝到一起，然后我們用毛發涂膠水。

斯科特·佩利：毛發？

邁克爾·斯塔德曼：是的，通常像睫毛或類似的東西，或是貓須。

斯科特·佩利：你用貓須涂膠水？

邁克爾·斯塔德曼：沒錯。

斯科特·佩利：為什么靶丸一定要那么小呢？

邁克爾·斯塔德曼：激光只能提供有限的能量，而要驅動一個更大的容器，我們需要更多的能量，所以這是一個對設施的限制，你看到了，設施已經非常大。盡管它很大，但這是我們能用它驅動的東西。

斯科特·佩利：靶丸可以更大，但激光也必須更大。

邁克爾·斯塔德曼：沒錯。

去年12月5日，他們用了一個更厚的靶丸，這樣可以更長時間保持形狀，他們想出了如何在不損壞激光器的情況下提高激光發射的功率。

塔米·馬：這是激光發射前的一個靶丸。

一個完整的靶組件。

塔米·馬給我們看了一個完整的靶組件，鉆石殼就在那個銀色圓柱體里。

真空室。

這個組件進入一個三層樓高的藍色真空室。這里很難看到，因為布滿了激光器和儀器。

被稱為“但丁”的儀器。

研究人員把儀器稱作“但丁”（Dante），因為它測量的是地獄之火。一位物理學家說，“你應該看看我們12月5日沖擊的靶。”

我們不禁要問：“我們可以嗎？”

斯科特·佩利：你以前見過這個嗎？

塔米·馬：這是我第一次見。

去年12月5日的實驗中被擊中的靶組件殘骸。

對于塔米·馬和全世界來說，這是第一次看到改變歷史的靶組件殘骸——一個像貝爾的第一個電話或愛迪生的燈泡一樣的人工制品。

斯科特·佩利：這個東西最終會進史密森尼博物館。

靶的圓筒被炸得無影無蹤，支撐圓筒的銅支架也被剝開了。

斯科特·佩利：最后的爆發比太陽還熱。

塔米·馬：比太陽中心的溫度還要高。我們能夠達到整個太陽系中最高的溫度。

這將使電力產生巨大變化。與今天將原子分離開來的核電站不同，核聚變的威力要大很多倍，幾乎沒有長期輻射。而且很容易關閉，所以不會發生熔毀。但是從第一次點火到建立發電廠將是困難的。

斯科特·佩利：一天要發射激光多少次？

塔米·馬：我們平均每天要發射一次多一點。

斯科特·佩利：從理論上講，如果這是一個商業發電廠，每天需要發射多少次？

塔米·馬：大約每秒10次。當然，這是另一個巨大挑戰，不僅僅是提高重復率。還要讓能量增益提高到100倍左右。

實驗室的激光核聚變研究項目負責人塔米·馬。

這種反應不僅要產生100倍以上的能量，而且一座發電廠每天需要900000個完美的鉆石殼，激光效率也要高得多。還記得去年12月的突破嗎？輸入兩個單位的能量，輸出三個單位的能量。發射激光需要300個單位的能量。按這個標準，是300個單位的能量輸入，3個單位的能量輸出。在美國能源部去年12月的新聞發布會上，這一細節并不是重點。發布會將新進展與一個不太可能的時間表結合在一起。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆（Jennifer Granholm）在新聞發布會上：今天的聲明是總統提出的十年內實現商業核聚變目標的一大步。

斯科特·佩利：當你聽說拜登總統的目標是在十年內實現商業核聚變發電時，你是怎么想的？

查爾斯·賽弗（Charles Seife，紐約大學教授）：我認為這是無稽之談。

查爾斯·賽弗是一位訓練有素的數學家、科學作家和紐約大學教授。