美国国家点火设施是唯一一个核聚变反应产生的能量超过其消耗的能量的实验室。以下是它如何实现这一历史性里程碑并激发人们对聚变能的新兴趣。
2011 年 6 月 8 日，当研究人员为世界上最大的激光器充电以进行其首次重大聚变实验时，他阳光明媚地照耀着加利福尼亚州利弗莫尔。对于这个体育场大小的设施来说，这似乎是一个好兆头，它是美国核武器计划的旗舰项目。
那天，美国国家点火设施 （NIF） 的激光以巨大的能量轰炸了一个豌豆大小的目标。这是重要的第一步，但测试以短暂的闪光和失败告终。这个结果会变得令人沮丧地熟悉。
35 亿美元的贷款设计只有一个目标：将氢同位素压缩成白热的核心，它们的原子核在那里融合产生氦和足够的剩余能量来驱动一连串的聚变反应。没有人预料到会立即成功，但到 2011 年 6 月，研究人员已经进行了为期两年的工作，预计会实现“点火”：当实验产生的能量超过激光提供的能量时。这 2 年会拖到 12 年。
2022 年 12 月，实验室终于达到了它的点火目标如25 年前由美国国家科学院制定，此后研究人员提高了他们的水平。NIF 在今年 2 月打破了记录，产生的聚变能量是激光器提供的两倍（参见“稳步进展”），该设施本月证实了其第六次成功的点火实验。
稳步前进
在美国国家点火设施开放后的最初几年，实验产生的聚变能比点火所需的能量少约 1,000 倍。
NIF 的成功开辟了新的研究途径进入核武器领域并提振了新兴的聚变能领域：政府和企业现在都在投入资金，希望人类有一天可能会产生无限的清洁能源来帮助解决气候危机。NIF 并非旨在提供这种能量。相反，该设施是聚变研究的试验场，是科学家可以探索支撑任何聚变能未来的基础物理学的唯一场所之一。
“真的没有比这更好的地方了，”NIF 的物理学家 Annie Kritcher 说谁领导了最终实现点火的实验性活动.
NIF 研究人员必须解决堆积如山的技术问题才能实现他们的目标。多年来，他们一次又一次地重新开始，尽管批评者对该设施的高昂价格和有限的结果施加了越来越大的压力。以下是 Laser 团队如何取得成功并正在推动更大的聚变里程碑的内幕故事。
失败
建立 NIF 的决定受到冷战结束的启发。就在 1991 年解体前几个月，苏联宣布将停止核武器试验。第二年，美国也纷纷效仿，然后问题出现了：美国如何在不偶尔炸毁核弹和导弹的情况下测试核弹和导弹的可靠性和安全性？答案是科学，其中很大一部分是 NIF。
1993 年 1 月 15 日，美国能源部 （DoE） 批准建造激光设施，这将使研究人员首次能够在实验室环境中复制和研究热核武器的反应。NIF 被标榜为该国“基于科学的库存管理”战略的核心参与者，该战略旨在为政府科学家提供他们需要的信息，以预测老化的核武库中数万件武器的性能。管理计划中的其他研究将侧重于武器、材料和部件的使用寿命等问题。
NIF 从一开始就遇到了争议。谨慎的立法者和政府监管机构对施工延误、成本超支和涉嫌管理不善由美国能源部和美国国家核安全管理局 （NNSA） 负责管理核武器。到 2009 年在劳伦斯利弗莫尔国家实验室 （LLNL） 完工时，这个巨大的设施（10 层楼高，占地面积相当于三个美式足球场）比原计划晚了 7 年，超出预算 23 亿美元。但科学任务才刚刚开始。
“压力很大，”该实验室惯性-约束聚变项目的副主任 Richard Town 说。
2011 年 6 月 8 日失败的尝试是第一次真正的点火，经过一系列旨在调整设备的测试和实验。在接下来的一年里，该设施的团队提高了激光器的功率并调整了实验设计。这项工作在 2012 年 9 月 20 日达到顶峰，当时研究人员进行了他们最初驱动以实现点火的最后一次实验。
但实验再次以失败告终，产生的聚变能不到 1.6 千焦耳——大约比点火阈值低 1,000 倍。NIF 的第一阶段工作在不到 10 天后结束，很明显，该团队还有很多工作要做。
“仅仅将旋钮完全向上转动并按下按钮是不够的，”在新泽西州普林斯顿大学研究聚变能的物理学家罗伯特·戈德斯顿 （Robert Goldston） 说。“这需要退后一步，真正科学地了解是什么阻碍了点火。”
研究人员意识到，其中一个基本问题是对称性问题。
X 射线烘箱应该像球形虎钳一样均匀地压缩和加热颗粒，迫使氚和氘核融合。NIF 科学家经常将这项任务比作试图在不扭曲其形状的情况下将篮球大小的球形物体挤压到豌豆大小。
诊断和建模表明，科学家们制造的不是球形内爆，而是尖刺内爆，不均匀的压缩使较冷的材料从胶囊壳进入中心（参见“球形虎钳”）。
球形虎钳
为了实现点火，美国国家点火设施的科学家们想要创造一个球形内爆，将氢同位素均匀压缩和加热，诱使它们聚变。但一些最初的实验产生了尖刺的内爆，其中较冷的物质混入中心。
“这有点混乱，”LLNL 的物理学家 Mordecai Rosen 说，他从一开始就参与了这项工作。
NNSA 关于该活动的最终报告，2012 年 12 月 27 日发布得出结论，实现点火仍然是“一个相当大的技术挑战，结果不确定”。
提升力量
NIF重新开始2013 年，在引入了物理学家 Omar Hurricane 和其他一直在 LLNL 从事核心核武器设计计划的科学家之后。Hurricane 的团队研究了之前实验的证据，并建议产生更稳定、更尖刺的内爆的一种方法是调整 NIF 的激光脉冲，使其在最初击中目标时更短、更强。
想象一下，一列光子“火车”以光速冲向目标：在原始配置中，火车长约 6 米，其大部分能量都装在末端的车厢中。尽管新列车携带的能量相似，但它缩短了大约四分之一，并在前端配备了更强大的机车。结果是更快、更有力的一拳。
科学家们推测，部分问题在于填充同位素的胶囊上的塑料涂层燃烧的方式。Hurricane 的想法是在前面提供更强大的能量爆发，以更快、更均匀地吹掉塑料涂层。它似乎奏效了。
“我们从这些实验中获得了大约 10 倍的聚变性能提升，”2014 年被任命为惯性约束聚变计划首席科学家的 Hurricane 说。团队还看到了1他说，这是做出这种改变后聚变反应持续发热的第一个迹象。“但这只是解决一个问题的一种策略。”
然而，随着进展趋于平稳，人们对这项活动的怀疑越来越大，该活动每年消耗大约 5 亿美元的预算。2016 年 5 月，NNSA 发布了一份报告，承认目前尚不清楚 NIF 是否会实现点火。
大约在同一时间，Hurricane 和他的同事决定需要一种新的方法。这位物理学家组织团队提出了各种解决方案，包括重新考虑胶囊涂层和对 hohlraum 的新设计，该涂层越来越多地由镀金铀制成。一位新加入该计划的物理学家 Kritcher 的工作脱颖而出，她被任命为首席设计师。
最有前途的途径之一，被称为高产率大半径内爆设计 （HYBRID），增加了胶囊和 hohlraum 的尺寸。Kritcher 的团队还将胶囊上的塑料涂层换成了金刚石涂层。致密的金刚石壳以更快的速度将能量传播到冷冻的同位素颗粒。
与此同时，Kritcher 的团队还尝试去除了 hohlraum 内的大部分氦气。最初假设的是，氦气将保护聚变反应免受激光束撞击 hohlraum 的金壁时产生的等离子体的影响。但事实证明，气体也在激光束到达太空舱之前散射了它们。
虽然仍然没有点火，但从 2016 年到 2019 年，实验的能量产量增加了一倍多。“这就是事情开始发挥作用的时候，”Kritcher 说。
当 Kritcher 和她的团队继续进行目标设计时，其他人则专注于改进胶囊制造，以努力消除金刚石外壳中麻烦的空隙和缺陷。研究人员还开始部署另一种技术，这项技术很快就会将他们推过点火终点线：调整 192 束激光束的能量分布以控制内爆的形状，内爆不再尖刺，但通常看起来有点不规则，就像厚厚的煎饼和香肠。
这项技术在 2020 年 11 月的一次实验后开始发挥作用。
它奏效了：2021 年 2 月，科学家们将之前的记录提高了 70%，并实现了点火所需输出的近十分之一。更重要的是，这两个实验都突破了被称为燃烧等离子体的阈值，其中聚变反应产生的热量比激光多。“直到我们达到这个阈值，人们才开始相信，”Hurricane 说。
外部的怀疑仍在继续——一个名为 JASON 的独立科学小组在 2021 年 4 月为美国政府提供建议，对 NIF 的成功机会提出了质疑——但 NIF 内部的信心正在增强。8 月的另一项实验实现了失控的聚变反应，符合 NIF 内部科学家使用的点火技术标准.后重复该实验的几次尝试都失败了，他们决定是时候大展宏图了。
2022 年 9 月，NIF 科学家使用一种新的、更强大的激光器配置进行了一项实验。这一次，诊断结果显示发生了煎饼状的内爆。Kritcher 的团队再次重新分配了光束的能量，这一次将更多的能量泵向 hohlraum 的赤道。
两个多月后，即 2022 年 12 月 5 日，研究人员从 NIF 的激光器向目标发射了 2.05 兆焦耳的紫外线能量，由此产生的内爆产生了 3.2 兆焦耳的聚变能。收益超过 50%.经过 12 年多的努力，他们点燃了.
失败、改进、改进
NIF现在定期产生聚变产率是十多年前首次 Ignition 活动的 1,000 倍或更多倍。这平息了许多批评者。
点火并不意味着 NIF 会带来清洁能源的未来：迄今为止最成功的实验产生了略高于 5 兆焦耳的能量，但需要超过 300 兆焦耳的能量才能发射其巨大的激光器。
冷战结束后，该设施正在成为核武器计划中向物理学家承诺的实验工具，纽约州伊萨卡市康奈尔大学（Cornell University）的核工程师戴维·哈默（David Hammer）说。特别是，LLNL 的科学家们已经将核武器组件暴露在聚变实验过程中产生的辐射冲击下，以更好地了解这些组件在核战争中的脆弱性。
然而，NIF 仍在进行中，Hammer 说。在 2 月份打破纪录的实验之后，随后的 3 次点火尝试均未成功。他说，尽管取得了所有成功，但 NIF 的科学家尚未在他们的实验中充分证明可预测性和可重复性。“它仍然是一个科学项目，而不是一个工程项目。”
Town 也承认这一点。有一个模式：失败、改进、改进。“这是过程的一部分，”他说。NIF 最近一次成功的尝试是在 11 月 18 日，涉及重复 2 月份创纪录实验中使用的条件，部分目的是为进一步的实验设定基线。
从长远来看，该团队希望将 NIF 的激光能量再提高 18%，此举可能会在十年内将聚变产额推至 30 兆焦耳范围。这将需要用更多的混凝土加固巨大的目标室以确保安全。
与此同时，Hammer 表示，他已经看到了 NIF 的成功对下一代科学家的影响，他们突然渴望寻求聚变能作为气候解决方案。这对 Kritcher 来说也是一条有吸引力的途径。
“这个设施永远不会用于能源生产，但它可以帮助回答与各种聚变能方法相关的问题，”她说。“我们从 NIF 学到的越多越好。”
