美国NIF激光聚变“点火”成功，聚变电站还远吗？｜DrSHI观科技
2022年12月5日凌晨1点, 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）,国家点火装置（NIF）进行了一次里程碑意义的激光聚变实验：将能量约2.05 MJ的激光聚焦到一个微型燃料靶丸，引发聚变反应，并产生3.15 MJ的能量输出，Q值（输出输入比）约为1.5。在可控核聚变历史上，首次实现能量增益（Q > 1），成功实现“点火”。
随后，12月13日，美国能源部(DOE)国家核安全局（NNSA）对外宣布，称之为：“历史性的突破，将永远改变清洁能源和美国国防的未来”。
图1：美国核安全局关于NIF激光聚变实现突破的公告
对于这一历史性的突破，我们应该如何解读：
“点火”成功，到底意味着什么？
1. “点火”成功是真，能量增益是假
首先，简单科普一下NIF的激光聚变：
耗资 35 亿美元的 NIF，于 2010 年就开始了“点火”活动。它的激光器安装在一座相当于三个足球场大小的建筑物内，可发出强大的纳秒长红外脉冲，该脉冲分为192 束，然后再转换为紫外光。光束聚焦在长约1 cm圆柱形高Z材料（一般为金）的空腔，里面装有直径1-2 mm左右的球形燃料靶丸。为了让目标靶丸被均匀加热，激光不会直接照在靶丸，而是打在空腔内壁，内壁被加热后产生软X射线，再发射到目标靶丸上，即所谓的间接驱动。
1)激光产生软X射线，均匀加热燃料靶丸表面，形成等离子体。
2)等离子体向外扩散，对靶丸内部形成反向推力（类似火箭推进器）。
3)在反向推力下，靶丸内部被压缩，形成密闭的中心热点，形成高温高密度环境。
4)达到点火条件，聚变反应从中心开始，并向外扩散（内爆）。
图3：NIF激光聚变发生器设计即聚变反应过程
现在，让我们回到12月5日的这次实验，输入2.05 MJ能量，输出3.15 MJ, 单从数值看，确实是实现增益了。但是需要强调的是，这里输入的2.05 MJ是指进入到空腔的激光能量，而不是激光器的输入能量。
根据NIF 网站上的多个消息来源，激光系统的输入能量在384到400 MJ 之间。在这个意义上，整个系统的Q值不到百分之一。
与利弗莫尔同样承担美国核武器研制任务的洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家Tom Hartsfield对此直言，并没有突破，NIF消耗的能量是其产出的130倍。
图4：美国物理学家Tom
Hartsfield的评论文章
https://bigthink.com/the-future/fusion-power-nif-hype-lose-energy/
那么，这样也算“点火成功”了？答案是肯定的！
核聚变反应里“点火”的概念指的是，核燃料发生聚变反应产出的能量大于其吸收的能量，因为这意味着如果有持续燃料供应的条件下，反应就可以自我维持下去。
如果把激光聚变的目标比成一根火柴，那么这次实验，就相当于拿着一个激光器对着火柴，射出了100个单位能量，火柴头吸收了1个单位能量，导致局部燃烧起来，产生了1.5个单位能量。
注意我这里说的是“局部燃烧”，因为这次实验中，靶丸里只有4%的燃料发生了聚变反应。不要小看4%，这已经是非常高的比例了。一年前那次Q = 0.7，反应率只有2%。再往前，更是1%都不到了。反应率低，一直都是激光聚变的缺点之一。当然往好的方向想的话，至少理论上还有很大的上升空间。假如100%充分燃烧，那么按照DOE的算法，Q值岂不是快到40了？即使这样，整个系统的Q值仍不足0.5，还得从其他方面努努力，这是后话。
所以，“点火”成功是真，能量增益是假。不过从“国家点火装置”这个名字就可以看出，美国人在乎的并不是增益，在乎的是“点火”。100块钱点根火柴烧开水自然是不划算，但是拿它点个炮仗啥的，确是极好的。
2. 两因素助力，成功实现“点火”
NIF自从建成之后，点火实验屡遭挫败。2016年5月，美国国家核安全局甚至表示质疑该设施是否会永远达不到其点火目标。
其实NIF激光聚变的真正突破发生在2021年8月，输入能量1.9 MJ，中心热点吸收能量65 KJ，聚变反应输出能量1.35 MJ，Q值为0.7左右。在此之后，NIF一直在试图重复实验，并在此基础上继续提升至点火成功。
图5：NIF历年实验靶丸中心热点能量吸收情况
从上图可以看出，2021年8月份前的实验，能量吸收低了近一个量级。是什么样的改进造成了这次突破性的进展？
这里简单科普一下，不过分展开。
靶丸结构优化
NIF激光聚变的关键参数是空腔大小与靶丸大小的比率 (Case-to-Capsule Ratio, 简称CCR)。NIF增大靶丸的同时，缩小了空腔，CCR较之前显著减小，这样显著提高了燃料靶丸吸收能量的效率。
图6：NIF激光聚变靶丸结构优化对比图
磁约束辅助
NIF 团队采用金钽合金制做圆柱体空腔，这种合金可以承受强磁场而不产生涡流，然后在空腔外围缠绕线圈。在打开激光器之前，给线圈施加电流，产生约26特斯拉的强磁场。
实验表明，与没有磁场的实验相比，激光产生的热点温度升高了 40%。通过计算聚变过程中产生的中子数量来测量的能量输出，增加了3.2倍。
图7：NIF磁场辅助激光聚变的原理图及实验结果
3. “点火”成功，是喜，是忧？
其实，这座耗资35 亿美元的国家点火装置，其设计目的并不是为了研究商业发电，美国能源部也从未资助过开发用于发电的激光聚变项目。NIF的任务主要是用于探测热核武器核心的聚变反应。
1992 年美国在冷战结束时禁止地下核试验后，物理学家一直在建立一套综合体系来研究美国的核武库，其中包括功能越来越强大的超级计算机和数十个其他研究设施，旨在模拟和测试从核材料和部件到爆炸等一系列环节。能源部提议将NIF 作为更大的以科学为基础的库存管理计划的一部分，旨在验证该国核武器的可靠性，而无需真的引爆测试。靶丸的设计，特别是新的设计思想对核武器的设计也有很大的参考价值。
关于这次“点火成功”，我特意找了美国核安全局发布会的视频来看，其中一些有趣的发言，这里翻译过来给大家品一品：
”美国能源部长詹妮弗·M·格兰霍姆：“拜登-哈里斯政府致力于支持我们的世界级科学家——比如 NIF 的团队——他们的工作将帮助我们在没有核武器实验的情况下维持核威慑力测试。”
NNSA 局长 Jill Hruby：“在取得这一突破时，他们开启了 NNSA 库存管理计划的新篇章。”
美国参议院多数党领袖查尔斯·舒默：“这就是为什么我今天也很自豪地宣布，我帮助 ICF 计划在国防授权法案中获得了今年超过6.24 亿美元的最高授权，以实现这一惊人的突破”。
激光聚变的一个重要用途就是研制新型氢弹。传统氢弹需要原子弹点燃，爆炸会产生大量放射性物质。而利用激光聚变点燃的氢弹不产生核辐射，如果剂量控制“恰当”的话，甚至可以当作常规武器使用。
正如我前文所说，美国人看重的并不是增益，而是“点火”。点火成功就意味着NIF最初的设计目标已经完成。
如果说之前NIF仅限于用来模拟核爆，那么现在“点火”成功了，下一步NIF该走向哪一步？没有增益的“点火”自然不会往电站上面使，但是拿它点个氢弹，真不是闹着玩的。
我们到底该是喜，还是忧呢？
以上三点，算是回答了本文开头提出的第一个问题：“点火成功”到底意味着什么？
4. 激光聚变电站的 “主要矛盾” ？
NIF“点火”成功后，很多人可能会问，是不是离激光聚变电站不远了？回答是，其实远得很。这里主要提三点。
能量注入效率
激光聚变，由激光器对核燃料靶丸进行能量注入，驱动聚变反应的发生。目前有两种方式，直接驱动和间接驱动。NIF激光聚变属于间接驱动，激光注入空腔后，不直接加热靶丸，而是通过产生X射线，再对其加热。这样的好处是加热均匀，缺点则是能量转化率太低。前文已经提到过，只有大约 1% 的激光能量进入燃料。这对于商业应用的聚变电站而言，实在太低了。按照NIF的算法，Q值达到100才能勉强实现盈亏平衡。
因此，如果未来有激光聚变电站，最有可能的是直接驱动，即利用激光直接照射在目标靶丸上。根据LLNL实验室的数据，直接驱动方式下，大约会有5% 的激光能量最终注入靶丸。但由于直接驱动方式下，加热不均匀导致靶丸预压缩状态控制困难，燃料靶丸很容易会被压扁成薄饼而不是紧密的球，内爆难以发生。
值得一提的是，在驱动方式这块，中国创新提出间接驱动方式快点火的方案，将热核聚变点火过程分为内爆预压缩和快速加热两个阶段，并在“神光”装置上进行了实验，相关成果发表在Nature Physics 16.7(2020).
图8：中国激光聚变团队提出的间接驱动快点火方式
燃料反应率
激光聚变是通过压缩靶丸，使其核心发生内爆，再向外扩散，促使外层的燃料发生聚变反应。由于缺乏约束，这个过程中靶丸里的绝大部分燃料都逃逸掉了，真正参与聚变反应的就是内爆核心及其附近的一小部分。
以NIF这次破纪录的Q值1.53的实验为例，其实只有4%的燃料参与了反应。而2021年8月那次Q值达到0.7的实验，燃料反应率约为2%。
也就是说，对NIF的系统而言，如果燃料靶丸完全反应，其理论上最大的Q值大概在30-40之间。相对于其100倍以上的激光器能量输入而言，商业应用显然是不划算的。
可重复性
这里说的可重复性包括两个方面：
首先，聚变反应的可重复性：前文已提过，NIF在2021年取得Q值0.7的突破后，一直无法重复实验。每次爆炸都需要极其严格的条件，球形靶丸机械形状需要抛光到完美，误差小于头发丝的1%。因此大多数实验都受到稍微不完美的条件的影响，无法产生内爆，或者燃料反应率极小。
其次，激光系统的重复使用间隔：以NIF为例，机器需要数小时才能从实验中恢复过来，基本上每天只能执行一次实验。而目前每次实验中，聚变反应时间其实只有几纳秒。如果真的用于商业发电，那么未来激光聚变电站里面每天至少得有数以万计的燃料靶丸被点燃。这对激光器系统要求上的提升，是难以想象的。
图9：NIF激光系统示意图
5. 会挑战磁约束核聚变在商业发电的主流地位吗？
个人认为，除非出现惊人的突破，激光聚变不是未来聚变电站博弈的参与者。在前文提到的几个“主要矛盾”得到解决之前，讨论激光聚变电站还为时过早，“点火”成功距离商业发电还有相当长的路要走。
《Science》杂志在DOE发布会当日，也第一时间发表了评论文章表示：NIF实现了净能量“增益”，但是商用电站仍然是一个遥远的梦。注意Science在这里给这个增益打了个“引号”。
文章同时指出，“NIF从未设计用于商业发电研究，美国能源部也从未资助过开发用于发电的激光聚变项目。NIF的主要功能是制造微型热核爆炸并提供数据以确保美国核武器库安全可靠。许多研究人员认为，类似熔炉的托卡马克是一种更好的商用电站设计，因为它们可以维持更长时间的聚变燃烧”。
图10：Science关于NIF点火成功的评论文章
并且，早在上个世纪末，已经有托卡马克装置取得了接近于1的Q值（1997年，欧洲联合环JET氘氚聚变Q值达到0.67；同年，日本在JT-60上氘氘放电，折算到氘氚反应，Q值约1.25）。随着超导磁体的应用，装置约束时间越来越长，点火对于磁约束核聚变装置而言，就差临门一脚了！
当然，磁约束核聚变自身也面临着复杂的工程难题，甚至常有人笑称托卡马克聚变电站需要“永远的五十年”。对此我是这么理解的：在研究初期，或许是对技术难度估计不足，亦或是宣传考虑，喊出来的这个“五十年”其实是个“虚数”。而随着工程技术的不断成熟以及物理机制了解的不断深入，现在这个“五十年”越来越实了。从近年来不断介入的商业资本来看，也能一定程度上说明，商用电站可能真的不远了。但如果要给个期限的话，可能真的还需要“五十年”。
接着我前文的比喻：
激光聚变就像是去点一根制作精美且价值不菲的火柴，花了大力气，终于迎来了它刹那间的燃烧。但是如果要用它去烧开水，你就需要一根接着一根不停的去点，显然得不偿失。火柴的功能本就不是用来输出能量，而是用来点燃或者说引爆其他能量。
而托卡马克则好比建了一个炉子，木柴已经架好，不过你得钻木取火，想点燃它并不容易。以前是体力不行，钻个几十秒就累倒了，刚冒点烟就停下来了（常规磁体，约束时间短）。不过既然冒烟了，就说明方向没错，那就先锻炼锻炼身体（换超导磁体），下一次多钻个几分钟，火不就有了吗？
木柴与火柴的区别在于，一旦点燃，就是长时间稳定的燃烧。这才能经济实用，才能用来烧水做饭。
■ 参考文献
[1]Clery, Daniel. "Explosion marks laser fusion breakthrough." Science (New York, NY) 378.6625 (2022): 1154-1155.
[2]Atzeni, S., et al. "Breakthrough at the NIF paves the way to inertial fusion energy." Europhysics News 53.1 (2022): 18-23.
[3]Moody, J. D., et al. "Transient magnetic field diffusion considerations relevant to magnetically assisted indirect drive inertial confinement fusion." Physics of Plasmas 27.11 (2020): 112711.
[4]Moody, J. D., et al. "Increased Ion Temperature and Neutron Yield Observed in Magnetized Indirectly Driven D 2-Filled Capsule Implosions on the National Ignition Facility." Physical Review Letters 129.19 (2022): 195002.
[5]Tollefson, Jeff. "US achieves laser-fusion record: what it means for nuclear-weapons research." Nature 597.7875 (2021): 163-164.
[6]Campbell, E. M., et al. "Direct-drive laser fusion: status, plans and future." Philosophical Transactions of the Royal Society A 379.2189 (2021): 20200011.
[7]Zhang, F., et al. "Enhanced energy coupling for indirect-drive fast-ignition fusion targets." Nature Physics 16.7 (2020): 810-814.
[8]https://bigthink.com/the-future/fusion-power-nif-hype-lose-energy/
[9]https://lasers.llnl.gov/news/hybrid-experiments-drive-nif-toward-ignition#anatomy
[10]https://www.llnl.gov/news/watch-doe-press-conference-nif
■ 扩展阅读
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