國家核融合設施改變世界的內幕

(SeaPRwire) –   短短在2022年12月5日凌晨1點,國家點火設施(NIF)的實驗物理學家Dave Schlossberg接到電話喚醒。NIF的大型雷射將在當晚進行一次實驗。他早些時候去睡覺時告訴了他團隊中的一位物理學家Alex Zylstra,如果有任何有趣的事情發生,請打電話告訴他。現在Zylstra看到的數據與該設施以前記錄過的任何數據不同。它似乎顯示科學家實現了長期以來模仿太陽能源的關鍵一步。Schlossberg接起電話。「我想有些有趣的事情發生了,」Zylstra說。

在這加州利弗莫爾的設施工作人員已經花了13年多的時間試圖但失敗地實現點火,即反應輸出的能量大於科學家投入的能量。一些專家觀察人士認為它永遠不會成功。然而,在該設施的實驗數據庫中,有證據。在1點03分50秒,NIF的192支強大雷射束將2.05兆焦耳(MJ)的能量轟擊在一小塊金柱上,將紫外線轉換成強大的X射線,包圍著一個小型鑽石膠囊,裡面含有兩種氫同位素,氘和氚。短短的一瞬間,該膴囊內部壓縮到鉛的100倍密度,迫使氫原子融合成氦,將一小部分質量轉換成巨大的能量。大約70萬萬萬分之一秒後,膴囊爆炸,釋放出3.15MJ的能量,相當於大約三根炸藥棒。

結果是一個科學奇蹟,實現了研究人員從1950年代開始就想在實驗室中創造的成就,利用受控核融合生產電力。這個想法——模仿恆星通過撞擊氫原子形成氦來提供幾乎無限的、零排放的電力,而且不像核分裂反應器那樣有安全風險或廢物處理問題。然而,在實驗室中證明這一過程,對科學家和工程師來說,幾十年來一直是個挑戰。

自2009年開放以來,NIF一直採用一種方法來應對挑戰:利用強大的雷射束將這些氫原子聚集在一起,目的是實現點火,如果這種技術將來要用作清潔能源來源,這是關鍵一步。如今,十五年後,人們對這個夢想有了新的希望。

當然,研究人員距離使用他們在體積巨大的設施中產生的任何能量為任何東西供電仍有很長的距離。NIF不是發電廠,它大型雷射器吸收的電力(遠遠超過它在目標室產生的電力數百倍)遠超過它可能希望產生的任何東西。然而,在那個12月的日子,它實現了一個重要的突破。隨著消息的傳播,核融合熱潮在世界各地蔓延;美國能源部長Jennifer Granholm稱這是21世紀的里程碑事件。核融合能源企業也因為對該領域新的希望而感到高興。

但是,即使在慶祝中,NIF也面臨著迅速複製這些結果的壓力,以證明這次開創性實驗不是一次意外,然後再追求更高的核融合能量產量。過去一年,《時代》雜誌一直跟蹤NIF科學家在這一後點火階段的旅程——一個充滿困難和自豪感、失望和歡欣的旅程,這說明了研究人員的創意和決心,以及政府資助企業在推動困難科學事業方面的獨特作用。這也提醒我們,實現最近的突破轉化為一種可以幫助扭轉人類氣候變化趨勢的清潔能源,仍然是一個巨大而令人沮喪的挑戰,而時間正在流逝。

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Annie Kritcher經常半夜醒來,腦中浮現新的想法可以放入她的模擬計算中。「我丈夫會形容我是『痴迷』,」Kritcher說。「有時我會和孩子們玩,然後發現自己根本沒有在和他們玩。他們會說,’媽,你只是站在那裡。’其實我腦中正在和模擬計算進行對話。」

作為設計物理學家,她的工作是使用計算機模型來預測調整雷射脈衝波長和功率,對燃料膠囊和周圍的金hohlraum做微調,以及無數其他潛在變化,可能以何種方式將氫原子精確聚集在一起,以產生核融合反應。

Kritcher曾設計了2021年8月的一項NIF實驗,使用1.9MJ的輸入雷射能量產生了1.3MJ的核融合能量紀錄——這次成功部分得益於將更多輸入能量轉移到雷射射擊的後期。這個結果使NIF的科學家接近點火門檻。隨後,該設施開始為推動老化雷射器輸出更高能量水平做準備。雷射設計輸出1.8MJ,技術人員已經能夠使其輸出1.9MJ。現在,通過添加更多NIF用於放大雷射能量的特殊玻璃面板,他們認為可以將這些光束提高到2.05MJ。這聽起來可能很微不足道。但是隨著核融合實驗中輸入能量的增加,輸出能量往往會呈指數增長。額外0.15MJ的雷射能量,研究人員認為,可能正是突破點火門檻所需要的。

Kritcher構思了一個計劃,利用這一額外的雷射能量,主要是通過增加目標膠囊的厚度。九月的一次實驗失敗——燃料以餅狀塌陷,只有1.19MJ的能量產量。Kritcher稱這些「早餐食品」錯誤是NIF的日常事情:理想情況下,雷射將燃料壓縮成均勻的球形,從而對氫原子施加最大壓力迫使它們融合,但有時你會得到餅狀、香腸狀和熊掌狀的塌陷,導致能量更低。團隊做了一些調整,包括調整它們的波長。然後,在2022年12月5日凌晨,他們再次嘗試——成功了。

Kritcher說,她得知消息時哭了。「我當時處於一種凍結的狂喜狀態。一個星期我都在不停地笑。」

實現這樣的結果需要長期艱苦的努力;2013年,從反應中得到14千焦耳的能量已被視為一個「里程碑」事件,不到去年12月釋放能量的0.5%。「一切都有些不真實,」該項目的科學家Art Pak說,「意識到你在過去十年一直在工作的東西,人們在過去60年一直在工作的東西,現在終於實現了。」

但是,科學不僅僅是一次性完成某事。要真正了解一種現象,你必須能夠重複實現它。但隨後嘗試實現點火的實驗一直失敗。NIF面臨的一個困難是,使用一根不到人髮一百分之一寬的管子將氘和氚原子裝入實驗的微小鑽石膠囊中。如果氫同位素在運輸到目標時泄漏,就難以實現點火。