科学家成功创造“燃烧电浆”为自维持核聚变铺路

美国劳伦斯利佛摩国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人员成功创造了让核聚变燃料自体发热所需的条件，称之为燃烧电浆(burning plasma)，这是掌握核聚变能源的一个关键步骤。

燃烧电浆是实现自维持(self-sustaining)核聚变能源所需要的；达到适当温度与压力的电浆，是核聚变能源的关键要素之一，能实现可观的能量增益。Livermore的研究人员历经数十年的核聚变研究之后，宣称在实验室环境下发现了燃烧电浆的状态。该测试是在美国国家点火设施(National Ignition Facility，NIF)所进行；该机构配备了一套雷射，能以脉冲形式输出最高达1.9兆焦耳(megajoules)的能量，尖峰输出值可达500太瓦(terawatts)。

由物理学家Alex Zylstra、Omar Hurricane等人在《Nature》期刊共同发表的论文，除了描述以上技术进展，还包含有关于靶材(target)设计的配套论文。Livermore研究人员利用NIF在一个辐射空腔(radiation cavity)环境下产生X光，其放射是用以透过间接过程中的X光烧蚀压力，来引导一个燃料容器。在内爆(implosion)过程中，采用机械性技术对氘-氚(deuterium-tritium)燃料进行压缩和加热。

根据论文作者的说法，产生核聚变反应的实验都是利用大量的“外部”加热方式来产生电浆，而他们的系统号称是首度证实核聚变过程本身能提供大部份热能。

间接驱动惯性约束(inertial confinement)核聚变方法示意图。

(来源：《Nature》)

“在NIF进行的核聚变实验成果，为商用核聚变能源指引了道路；”核聚变产业协会(Fusion Industry Association)执行长Andrew Holland指出，将有越来越多会员公司“以NIF的实验成果为基础，加速朝着以核聚变作为能量来源的方向迈进。”

要让核聚变发生作用，燃料必须维持适当的功率平衡，因为许多因素会导致电浆损耗能量。相较之下，核聚变和内爆压缩会加热电浆。核聚变是一个非线性过程，科学家正努力开发一套所产生能量高于消耗之能量的系统，这也是一个商用反应炉的基本条件。点火克服了泄漏过程，让核聚变反应几乎可以自我维持。

将反应器点火需要将核聚变燃料加热到很高的温度和压力，并且把所产生的电浆局限到足够长的时间。自1950年代开始的相关研究，被形容为“在地球上打造一颗恒星”，要把核聚变转换为可商用的能源，已经被证明是难解的任务。科学家探索了多种加热和局限电浆的方法，其中最常见的两种分别是“惯性”(inertial)方法──燃料被自身的惯性所局限，以及“磁性”(magnetic)方法──即透过磁场来局限电浆中的带电粒子。

NIF利用强力雷射来加热并压缩一个小容器中的氢燃料──该雷射的192道光束聚焦于一个胡椒粒大小，装有氘气与氚气的的胶囊，让燃料被压缩至铅的100倍之密度，并使燃料温度大幅上升至摄氏1亿度；当热被施加于靶材，就会产生电浆。

在Livermore研究人员最近的实验中，他们在一个封装了氢、氘与氚同位素的微小黄金圆筒中，聚焦192道激光束产生10奈秒(ns)的爆炸，来启动整个过程。激光束蒸发黄金、产生X光，将胶囊从内部爆破并产生核聚变反应。所产生的核聚变反应释出许多种粒子，包含“α粒子”，它们与环绕的电浆互动，进一步地将电浆加热。在一个自维持反应，或点火过程中，被加热的电浆释出更多的α粒子，因此产生更多的热能。

当核聚变反应而非雷射点火成为电浆升温的主要热源，该热源提供了自维持核聚变所需的能量。研究人员指出，他们的实验是首次产生燃烧电浆，而且所产生的核聚变能量高于压缩和加热核聚变燃料时消耗的能量。以往的尝试因受限于控制电浆形状的挑战，在能源生产过程中仅实现净增益。因此这些研究人员宣称，他们证实了一条能提高核聚变性能水平的途径。

不过，在产生燃烧电浆的过程中仍然有能量被浪费掉。NIF的目标之一，是促进和维持核聚变反应以产生能量；实现电浆燃烧是有待克服的障碍之一。要实现核聚变能源的商业化，对惯性局限核聚变的进一步研究势在必行；Livermore研究人员表示，实现燃烧电浆能有助于科学家对整个过程有更充分的了解。

本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志2022年3月号

责编：Judith Cheng

(参考原文：Livermore Reports Burning Plasma for Fusion Energy，By Maurizio Di Paolo Emilio)