北京時間12月13日消息，美國能源部周二宣布，其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)國家點火設施的一個團隊進行了歷史上第一次可控核聚變實驗，實現了“核聚變點火”(fusion ignition)，創造了歷史。這意味著人類在可控核聚變實驗中，首次首次超出了聚變閾值，實現了大于1的能量增益（也即從聚變中產生的能量，比用于驅動它的激光能量更多）。

美勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

美國能源部在推特上稱，這是一個“醞釀了幾十年的公告”。2022 年12月5日，LLNL的一個團隊實現了核聚變點火，創造了歷史。美國能源部稱，這一突破將永遠改變清潔能源和美國國防的未來。美國能源部官員宣布，勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聚變反應產生的能量大于促發該反應的鐳射能量。實驗向目標輸入2.05兆焦耳的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產生的能量比投入的能量多50%以上。這項成果預計將可能幫助人類在實現零碳排放能源的進程中邁出關鍵一步。

美國能源部宣布的推文

美國能源部長 Jennifer Granholm 指出，這次實驗的成功，是在核聚變研究，在核技術，在能源史上都極為重要的里程碑事件。

本次實驗所在的勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室主任 Kim Budil 博士則表示，“在實驗室中實現聚變點火，是人類有史以來應對的最重要科學挑戰之一。這次能夠實現它，是我們在科學，在工程上的一次全人類的勝利?！?

而對于本次實驗的成功，Budil 博士對高能激光所扮演的地位給予了幽默的評價：

“就像大家知道的那樣，我們的實驗室簡稱 LLNL，其實是‘Lasers, Lasers, Nothing but Lasers’ 的意思……”

LLNL 主任 Dr. Kim Budil 圖片來源：能源部

白宮首席科學顧問 Arati Prabhakar 博士，更是感慨萬千：

“在我19歲的時候，我就在這個實驗室實習過，當時他們給了我一根‘激光筆’玩，那個夏天我過得非常充實。

后來我離開了這里，去做了其它更不值得一提的工作。但我的同事們，以及他們的后輩和后輩的后輩，卻從未停止嘗試……

他們獲得過驕人的成績，也歷經了無數令人難以置信的挑戰和痛苦——今天的我們都已經白了頭發，但他們從未放棄這一目標，直到上周……我相信這是一個關于‘堅持’的最佳例證?！?

核聚變點火是實現可控核聚變的關鍵步驟，是實現可控核聚變的前提和基礎。核聚變指的是當原子合并在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實驗室里實現核聚變并非易事，一個重大的挑戰就是“點火”(即核聚變反應所產生的能量等于或超過輸入能量的時刻)。

美國能源部稱，12月5日，LLNL核聚變實驗釋放的能量超過了輸送給目標的激光能量，跨越了核聚變點火的閾值。

根據此前報道稱，事情的具體經過：

在上周一12月5日，在位于硅谷利弗莫爾 (Livermore, CA) 的美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 內部的國家點火裝置 (NIF)，進行了一次通過激光觸發的慣性約束核聚變 (ICF) 點火實驗。

為了實現聚變點火，科學家使用了總計192束高能激光，射向裝有氘﹣氚（讀作dāo-chuān）燃料球的環空器。

環空器 (hohlhraum) 是一種圓筒形器皿，頭尾兩端開孔，內壁涂有黃金等特殊涂層。在下圖中，美國核安全局副局長 Marvin Adams 展示了實驗所用的環空器（同款）。

注意，環空器其實并非他手中的“玻璃杯”，而是在里面裝著的另一個小筒，大概只有手指指節的大小，如他的左手所示：

環空器 圖片來源：LLNL

Marvin Adams 展示實驗所用的環空器 圖片來源：美國能源部

在 NIF 的實驗中，科學家將燃料球裝在環空器內并進行加壓，然后通過環空器兩端的孔洞射入激光，照射環空器的內壁。

特殊涂層被加熱到大約300萬℃的高溫，發出強烈的 X 光束，進而照射在燃料球上。

燃料球的外層被X光照射，產生爆裂。其反作用力會以震波的形式繼續向內部傳播，使得內部的氘﹣氚元素形成高壓高溫，產生自發性的燃燒，導致內爆（能量和物質快速對稱地向內聚合），并連鎖觸發聚變反應。

至于為什么用激光照射內壁，而非直接轟擊燃料球：前者產生的X光可以更加均勻地覆蓋到燃料球的表面，使得表層的的爆裂更加均勻，從而時間更加一致，使得聚變反應的效率更高。效率越高，離正能量增益（大于1的能量增益）就越近。

——以上的過程，就是高能量慣性約束聚變的基本過程。它的用時極短，只有大約幾十甚至上百萬分之一秒。它的尺度也很小，畢竟燃料球只有“一枚花椒?！蹦敲创?。

但是，也正是在這個極短的過程中，這個環空器內，其實模擬了一顆微小的恒星。

接下來，讓我們來深入淺出地了解一下，這次意義無比重大的可控核聚變實驗，這場長達60年的追逐，到底是怎么一回事。

這樣的實驗，在  NIF 并非第一次進行。事實上，該實驗室在過去已經進行過“無數次”可控聚變實驗了。

而在過去，無論是 NIF/LLNL，還是歐洲的公立研究機構，以及全世界各國各種各樣的私營研究機構，進行的所有可控聚變實驗，都從未實現過盈虧平衡——說白了，就是“為了發電，反而用了更多的電”。

美國知名科普作者、天體物理學家 Neil deGrasse Tyson 表示：

“你獲得的能量比你投入的能量更多——我們終于來到了這一天?！?

正如前面提到，核聚變是讓氘﹣氚在高溫高壓環境下出現聚合反應，過程中釋放出氦，而副產品則是以中子形態存在的天量能量。太陽就是一個氫核聚變的恒星。人類對這一產生能量方式的研究已經持續百年，更是通過核彈的引爆，早已掌握了具體融合原子使其聚變的技術。

然而問題是，人類在很長時間里一直無法控制聚變的反應。

核聚變研究從上世紀50年代就已經開始，但進展一直非常緩慢（以至于過去隨便一點小成績都值得大書特書）。在過去，最大的挑戰是高溫問題難以解決。

具體來說，科學家需要在實驗室環境內創造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環境，才能讓燃料加熱到離子化產生聚變。然而一般容器無法應付如此高的溫度，需要對容器和反應進行“約束”，放置離子溢出容器。

故而科學家們逐漸演化出了兩種主流的方案：磁約束和慣性約束。本次 NIF 實驗就屬于后者。

環空器受到激光“加熱”的圖示。圖片來源：LLNL

然而本次實驗的重要性在于：

就是聚變產生的能量，比觸發聚變所消耗的科學能量更高。也就是說，用這種做法來產生能源，值了！

具體來說，實驗總計使用了大約300兆焦的電能，聚焦到高能激光束的輸出達到了2.05兆焦，而通過科學的觀測手段取得的實驗結果顯示，瞬時聚變產生的能量達到了3.15兆焦。

產生的能量，除以激光輸出的能量，結果大于一，這種情況在科學上稱為“科學能源盈虧平衡” (scientific energy breakeven)。

除了對核聚變的可控之外，實現能量盈虧平衡則是另一大難題。

大家可能還記得，我們在前一小節提到，NIF 實驗人員對激光照射反應邏輯和對環空器的設計，都是為了提高聚變反應的效率，讓燃料球“內爆”的再快一點。

為什么要提高效率？因為如果效率能夠超過某個閾值，就會出現一種極為特殊的情況：產生的能量超過輸入的能量，也即實現大于1的能量增益（正能量增益）

圖片來源：勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室

這樣的情況，在過去難以實現?？茖W家們花了整整70年，距離這個目標卻一直非常遠：比如在2013年10月15日，NIF 的某一次前序測試才勉強實現了0.0078的能量增益，比正能量增益的1/125還不如。

而在十年后，NIF 終于跨過了正能量增益這一里程碑：在不到10納秒（1秒=十億納秒）的時間里，整個燃料球完成了它的聚變反應，并實現了超過1的能量增益——這當然是件非常值得令人興奮的事情。

“這注定將成為21世紀最令人印象深刻的科學壯舉之一?！泵绹茉床块L Granholm 表示。