众人聚力Nature，核聚变里程碑！

通讯作者：A. B. Zylstra、O. A. Hurricane

通讯单位：美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室

燃煤发电会产生大量的碳排放，风力发电与太阳能发电又不是非常稳定，水力发电受限于地理条件，而核裂变的发电方式又伴随着和核辐射的安全隐患，如何处理核废料也是很棘手的问题，同时化石能源终将枯竭，核燃料可用的铀资源持续供给也不足百年，在人类已经掌握的各种发电方式中，不存在一种完美的解决方案。但是世界上许多科学家都在研究一种新的科学方案，这是一种可以完美解决环保、安全与稳定性的终极能源解决方案——可控核聚变。核聚变（nuclear fusion），是一种核反应的形式。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

核聚变研究的根本目标是创建一个产生的能量多于创建它所需的能量的系统，这是能源应用的必要条件；在实践中，聚变反应必须是自我持续的，具有自热超越损失机制，称为“点燃”。在天体物理物体，如恒星核心、新星和1a型超新星，以及热核武器中，都能达到这样的条件。实验室的点火需要将燃料加热到超高温（1亿摄氏度），燃料变成“等离子体”，此时很容易发生聚变反应，同时还要控制能量损失。在过去的几十年里，人们已经发展出几种加热和限制等离子体的方法，其中最常见的是采用最容易实现点火的氘氚（DT）燃料。约束等离子体的主要方法是“惯性”，即燃料受到自身惯性以及“磁性”约束时的脉冲燃烧，其中特定的磁场配置为等离子体中的带电粒子提供约束。

基于上述研究背景，经过几十年的核聚变研究，Zylstra, A.B.等人在实验室中实现了燃烧等离子体状态。这些实验是在美国国家点火装置（NIF）中进行的，利用激光设备以脉冲的形式提供高达1.9兆焦耳的能量，峰值功率高达500太瓦（兆兆瓦）。在燃烧的等离子体中，聚变反应本身是等离子体加热的主要来源，这是维持和传播燃烧所必需的，从而实现高能量增益。获得燃烧的等离子体是实现自给聚变能的关键一步。实验表明，聚变自热超过了注入内爆的机械功，满足了几个燃烧等离子体的指标。此外，本工作描述了一个似乎已经越过静态自热边界的实验子集，其中聚变加热超过了辐射和传导的能量损失。这些结果为实验室研究以α粒子为主的等离子体和燃烧等离子体物理学提供了机会。相关成果“Burning plasma achieved in inertial fusion”发表在Nature上。

【核心内容】

本工作利用激光在辐射腔中产生X射线，通过X射线烧蚀压力间接驱动燃料舱，导致在内爆过程中，通过机械功压缩和加热燃料。燃烧等离子体状态通过两种不同的内爆概念来增加太空舱的空间尺度。使氘氚（DT）聚变(D + T → α (3.5 MeV) + n (14 MeV))等离子体变得热不稳定并点燃，它必须首先获得“燃烧”状态。在这种情况下，α粒子沉积的自加热能量超过了外部加热输入给DT的能量；这个比值用Q_α表示，其中自加热是相对于等离子体的加热功率而言的——对于惯性聚变，这是燃料上的PdV压缩功，而不是总激光能量(P，压力，dV，体积变化)。Q_α> 1是燃烧的等离子体。

燃烧等离子体状态意味着氘氚（DT）等离子体中能量和功率平衡的转变，为快速提高性能开辟了潜力。在惯性约束聚变（ICF）的脉冲情况下，Q_α可以表示为燃烧过程中的功率，也可以表示为燃烧过程中的能量积分，而在磁聚变能（MFE）的近稳态运行中，Q_α是功率的一种表示。当α-粒子携带D+T反应1/5的总聚变能时，Q_α = Q/5，其中Q是与所提供的热能相比的总聚变能量。

燃烧的等离子体不同于惯性聚变的其他科学里程碑。2014年，实现了“燃料增益”的第一个里程碑，其中聚变的产生的能量超过了传递给燃料的能量；这相当于在国家点火装置（NIF）的12-14 kJ产能。在20–22 kJ时，通过自热反馈，产能大约增加了一倍。如前所述，下一个科学里程碑是燃烧的等离子，也是这项工作取得的科学里程碑。相对于激光能量，燃烧等离子体没有净能量增益G。由于在实现所需压缩状态时会发生能量损失，ICF内爆必须在获得净能量增益之前实现点火是可能的。净能量增益需要聚变产能大于激光能量（1.9 MJ）。

虽然缺乏点火或能量增益，但燃烧等离子体（Q_α > 1）是实验室聚变的一种新物理机制。研究燃烧等离子体将阐明这一领域的其他新物理学，如等离子体中的自热驱动不稳定性或动力学效应。

在托卡马克（磁约束核聚变的主要方法）中，一旦通过电阻加热产生等离子体放电，当等离子体进入聚变条件时，外部电源（例如射频天线）会提供额外的等离子体加热。在间接驱动的ICF中，能量传递给聚变燃料的方式是不同的，而且不那么直接。在NIF，192个激光器将高达1.9 MJ的三倍频光传递到高原子序数（Z）“空腔”（图1）中，用于产生近似普朗克X射线，一种称为“间接驱动”的方法。入射的逐束激光指向和及时功率被设计成在黑腔内产生特定的辐射温度历史（图1左下），在某种程度上具有足够的均匀性，与特定的目标几何形状和理想的最终等离子体状态相匹配。位于黑腔中心的暴露表面吸收了大约10-15%的X射线，导致外缘（烧蚀体）电离，产生数百Mbar量级的高压（1 Mbar = 10¹¹ Pa），并从腔内向外扩展，这一过程称为烧蚀。低温DT燃料的外壳被层压在烧蚀器的内表面，它与DT蒸汽在中心处于分压平衡状态（图1左上）。由蚀引起的向内加速驱动和DT燃料自身向内（图1右，内爆示意图），以巨大的加速度（约10¹⁴ m s^-2）在纳秒内获得大约350-400 km^-1的速度。被吸收的大部分X射线能量（约92-95%）被烧蚀过程消耗，结果DT燃料在一个非常小的体积内获得了相当大的动能（约 10-20 kJ）。

Fig. 1: Schematic of the indirect-drive inertial confinement approach to fusion.

尽管人们希望能有一个直接的测量方法来表明等离子体正在燃烧，但目前还未探得这样的测量方法，因此必须使用数据推断代替。图2a显示了NIF下许多DT内爆的G_fuel数据与PT^1.6τ的关系图，其中τ为约束时间。

Fig. 2: Simple metrics for assessing a burning plasma.

为了评估Hurricane指标，需要热点的温度和面密度以及内爆速度。热核反应性⟨σν⟩是热点条件的函数，尤其是温度；我们使用Bosch和Hale的⟨σν⟩评估。图3a为热点温度和面密度参数空间下的实验。之前的四个实验用点表示，现在的四个实验用全概率分布表示（红色，N201101；蓝色，N201122；紫色，N210207；灰色，N210220），轮廓线包含了分布的80%。在评估每个实验的实际推断速度的标准时，使用了不确定度。如图3b中概率分布所清楚显示的那样，这些是第一个超过Hurricane标准的实验。这四个实验超出标准的可能性分别为89% （N201101）、79%（N201122）和100%（N210207和N210220）。

Fig. 3: ICF-specific burning-plasma metrics.

为了实现点火，定义为当量放大与约1 MJ的聚变当量一致，然后获得高增益，需要进一步的进展。图4为在更大的点火环境下的实验情况。图4左为在热点压力和能量的参数空间；图4右为无α-加热条件下的产量放大与实验推断的称为“点火阈值因子”的类似劳森的参数。

Fig. 4: Parameter space relevant for proximity to ignition.

【总结和展望】

本工作在实验室（美国NIF使用惯性聚变内爆完成的）中产生了一种燃烧等离子体态，其中等离子体主要是自加热的。此前的实验刚好低于燃烧等离子体的阈值。相对于之前的研究，本工作增大了腔规模，提高了从激光能量到腔的耦合效率，并使用新策略控制了内爆对称性。已经进行了四个实验，通过几个指标超过了燃烧等离子体的阈值，最近的两个实验可信度尤其高。此外，性能最高的实验（N210207）处于更严格的状态，其中自加热超过了辐射和传导的能量损失。尽管由于ICF固有的低效率，这些结果缺乏系统的总能量增益，但这些实验表明朝着这一目标迈出的重要一步，记录了在NIF中评估我们接近点火的参数值。除了燃烧等离子体领域的新物理学外，美国惯性聚变计划还将继续探索有希望进一步提高性能的途径。

【文献信息】

Zylstra, A.B., Hurricane, O.A., Callahan, D.A. et al. Burning plasma achieved in inertial fusion. Nature 601, 542–548 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04281-w