科学家在突破性实验中展示了有效的聚变“火花塞”

利用激光能量实验室的 OMEGA 激光系统开创的方法显示了在更大范围内引发核聚变的潜力。罗切斯特大学激光能效实验室（LLE）的研究人员领导的实验为惯性约束聚变（ICF）的直接驱动方法展示了一种高效的"火花塞"。

罗切斯特大学激光能效实验室在进行直接驱动惯性聚变实验时从欧米茄靶室内部看到的景象。科学家们向装有氘和氚燃料的小胶囊发射了28千焦耳的激光能量，使胶囊发生内爆，产生足够热的等离子体，从而引发燃料核之间的聚变反应。内爆中心的温度高达 1 亿摄氏度（1.8 亿华氏度）。内爆的速度通常为每秒 500 到 600 公里（每小时 110 到 135 万英里）。内核的压力是大气压力的 800 亿倍。图片来源：罗切斯特大学激光能学实验室/尤金-科瓦卢克（Eugene Kowaluk）摄

在《自然-物理》（Nature Physics）杂志刊登的两篇研究报告中，该团队分享了他们的研究成果，并详细介绍了这些方法的扩展潜力，目的是在未来的设施中成功实现核聚变。

LLE 是美国能源部最大的大学项目，拥有 OMEGA 激光系统，该系统是世界上最大的学术激光器，但其能量几乎只有加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置 (NIF) 的百分之一。利用 OMEGA，罗切斯特的科学家们完成了数次成功尝试，向装满氘和氚燃料的小胶囊发射 28 千焦耳的激光能量，使胶囊发生内爆并产生足够热的等离子体，从而引发燃料核之间的聚变反应。实验引起的聚变反应产生的能量超过了中央热等离子体中的能量。

OMEGA实验采用激光直接照射胶囊的方式，不同于在 NIF 上使用的间接驱动方式。在使用间接驱动方法时，激光会转化为X射线，进而驱动太空舱内爆。NIF 使用间接驱动法，利用约 2000 千焦耳的激光能量用 X 射线辐照胶囊。这使得NIF 在实现聚变点火方面取得了 2022 年的突破--聚变反应可从目标产生净能量增益。

成就与未来展望

第一篇论文的第一作者康纳-威廉姆斯（Connor Williams）23 岁获得物理学和天文学博士学位，现在是桑迪亚国家实验室从事辐射和集成电路框架目标设计的科学家。他说："这是以后想完成任何事情的必要条件，比如燃烧等离子体或实现点火。"

罗切斯特研究小组展示了他们仅用28千焦耳的激光能量就能达到如此水平的内爆性能，他们对将直接驱动方法应用于能量更大的激光器的前景感到兴奋。展示火花塞是重要的一步，但是OMEGA太小，无法压缩足够的燃料来实现点火。

"如果能最终制造出火花塞并压缩燃料，那么与间接驱动相比，直接驱动具有许多有利于聚变能源的特性，在将OMEGA的结果放大到几兆焦的激光能量后，聚变反应预计会变得自我维持，这种情况被称为'燃烧等离子体。"21岁的Varchas Gopalaswamy博士（机械工程）说，他是LLE的科学家，领导了第二项研究，探索在兆焦耳级激光器上使用直接驱动方法的影响，类似于NIF的大小。

戈帕拉斯瓦米说，直接驱动集成电路框架是实现激光核聚变中热核点火和净能量的一种很有前途的方法。

LLE首席科学家、机械工程系和物理与天文学系罗伯特-L-麦克罗里（Robert L. McCrory）教授里卡多-贝蒂（Riccardo Betti）说："最近这些实验取得成功的一个主要因素是开发了一种基于统计预测并通过机器学习算法验证的新型内爆设计方法。这些预测模型让我们能够在进行有价值的实验之前，缩小有希望的候选设计的范围。"

来自：cnBeta